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安防视频监控系统所采用的LED(发光二极管)阵列显示器

随着光电信息技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术的迅速发展,半导体制作工艺日趋成熟,发光二极管LED作为显示器件的应用范围也日益扩大。

发光二极管点阵阵列显示技术(简称LED显示屏技术)由单色到现在的全彩色显示屏,已有了长足的发展,目前,更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化,仍然是其发展的主要方向。LED显示屏的关键控制技术随着新型超大规模集成电路(VLSI)的发展也有了新的提高,可编程电子逻辑设备(EPLD)、数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)等得到了应用。通过VLSI在产品性能提高的同时成本也在呈下降趋势,新一代LED控制专用集成电路也已开始得到推广和应用。经过多年发展,LED显示屏研制、生产技术已趋于成熟、稳定,新产品质量也有很大提高。

LED显示器应用非常广泛,在军事、车站、码头、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告及交通运输等许多行业都能见到各种类型的LED显示装置。它不仅有条屏、图文单色屏、双基色屏,还有全彩色点阵显示屏及LED数码显示屏;不仅能显示文字,还能显示图形、图像,并能产生各种动画效果。一般,单色、双色屏主要用来播放文字,彩屏主要是播放动画与视频。显然,它是广告宣传、新闻传播的有力工具,其应用也越来越普遍。

一、LED显示屏的结构与原理

发光二极管显示屏是由LED点阵和LED PC面板组成的,它是通过红色、绿色、蓝色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频的,其内容可以随时更换,各部分组件都采用块化的结构。

传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成,负责发光显示;控制系统通过控制相应区域的亮,可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容,单色、双色屏主要用来播放文字的,全彩屏主要是播放动画与视频的;电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。

LED显示屏是由计算机(或带多媒体卡等)、采集卡、主控制器、数据传输(发送卡、接收卡)、扫描板、显示屏单元等6大部分组成,如图1所示。

图1 LED显示屏系统结构

LED显示屏的驱动电路及显示系统示意框图如图2所示,它是由计数器、译码器、图形译码器和显示屏等组成的。

图2 显示屏驱动及显示系统

计数器是由多个双稳触发器构成的。译码器是由“与门”组成的,它可将二进制代码转换成十进制数,如果按编码将计数器的输出端同各“与门”输入端相连就可以产生代表十进制的电信号。电信号加到显示屏的各像素点上并显示出相应的图形,这是由图形译码驱动器完成的。图形译码器由一些LED组成,各''与门”输出的电信号通过LED连接列在各像素点上。由于LED是单向导电,因而可以保证各像素点不会互相串扰或短接。

LED点阵显示屏的原理是,将要显示的图文信息首先进行数字化处理,使图文信息转换成相应的数字化视频信号,经过数字通信系统将数字视频信号传输到LED显示屏显示缓存中,.由显示单元控制电路读取相应的显示信息进行显示。由于LED显示屏在进行图文显示时,其显示方式丰富多变,因此其相应的视频控制模板也十分复杂,一般分为单色显示和彩色显示两大类。

由于LED点阵显示屏具有美观的画面、灵活的内容更换、较低的功耗、较长的寿命等优点,因而被广泛运用在商场、街道、广场、车站和机场等人群密集或流动量大的场合,可及时地传播信息和播放电视,尤其适合用来播放广告、产品介绍等。

二、LED显示屏的类型

(1)从显示方式来分,可分为静态和动态扫描显示两种。

①静态显示。LED的亮度高,软件编程也比较容易,但是静态显示每一个像素需要一套驱动电路,如果显示屏为nxm所个像素屏,则需nxm套驱动电路,而它又占用比较多的I/O口资源,因而常用于显示位数不多的情况。

②动态扫描显示动态扫描显示则采用多路复用技术,如果是P路复用的话,则每P个像素需一套驱动电路,nxm个像素仅需套驱动电路。对动态扫描显示而言,P越大驱动电路就越少,成本也就越低,其引线也大大减少,这就更有利于高密度显示屏的制造。并且,它利用了人眼的“视觉暂留”效应(虽看上去在很短的时间周期内LED显示屏上的灯全部点亮,但实际上并没有全亮),占用资源少,其动态控制又节省了驱动芯片的成本,节省了电(亮度小功率就小了),因而在实际的LED大屏幕显示中采用。但编程比较复杂,在同样规格同样灯管芯片的情况下,动态扫描的亮度不如静态的好。

(2)按颜色分为三种。

•全彩显示屏:红、绿、蓝三基色,256级灰度的全彩色显示屏,可以显示1600多万种色。

•单色(单基色)显示屏:单一颜色(红色,绿色,黄色,白色,蓝色等)。

•双色(双基色)显示屏:红和绿双基色(红绿色、蓝绿色),256级灰度或者512级灰度,可以显示65536种颜色。

(3)按使用环境分为三种。

•室内显示屏:发光点较小,一般Φ3~Φ8mm,显示面积一般几至十几平方米。

•半户外显示屏:像素点大小于室内和户外显示屏之间,常用于银行、商场或医院等门楣上。

•室外显示屏:面积一般几十平方米至几百平方米,亮度高,可在阳光下工作,’具有防风、防雨、防水功能。

(4)按安装方式可分为立柱式LED显示屏(单立柱和双立柱)、壁挂式LED显示屏、吊装式显示屏、嵌入式显示屏等。

(5)按用途可分为信息发布屏、交通诱导屏、广告发布屏、车载屏、球场屏、舞台租赁屏和楼梯屏等。

三、LED大屏幕显示器真彩实现

LED显示屏的显示单元中,三基色LED管芯为核心器件,要想质量好,必须选用高质量的LED管芯,对此应严格挑选波长及发光强度一致性好的管子。

与彩色电视机一样,全彩LED显示屏是通过红、绿、蓝三种颜色的不同光强实现图像色彩的还原再现的。显然,红、绿、蓝三种颜色的纯正度,直接影响图像色彩再现的视觉效果。而白光的三色配比不是简单的三种颜色的叠加,一般要求:

•在保证红、绿、蓝光频纯正的前提下,要求红、绿、蓝光之比必须接近3:6:1;

•因人们视觉对红色的敏感性,要求红色发光源在空间上必须要分散分布;

•因人们视觉对红、绿、蓝三颜色光强的不同的非线性曲线响应,要求不同光强的白光对红、绿、蓝要进行类似电视机里的γ校正;

•由于人的视觉对色差的分辨能力有限,因此必须找出图像色彩再现真实性的客观指标。因此,为了再现真实的图像色彩,在LED显示屏的配光上还应满足下面一些要求。

•红、绿、蓝三色的波长应分别约为660nm、525nm、470nm;

•一般采用4管单元配白光为佳,当然多管单元也可,但主要取决于光强;

•选用256级为红、绿、蓝三色的灰度级;

•采用针对LED像素管的非线性校正。

红、绿、蓝三色配光及非线性校正,可以用显示控制系统硬件实现,也可由播放系统软件实现。

国内外的LED显示屏朝着真彩(224种颜色)、高分辨率(>4096像素点/m2)方向发展,现在7100像素点/m2分辨率的显示单元已经出现。目前,LED显示屏的显示单元正向着超亮度、高分辨率、高灰度级方向发展;显示媒体向着多媒体(静止/动态图文、视频图像、音/视频同步)方向发展;系统的运行、操作与维护向着集成化、网络化、智能化方向发展。

TI公司已推出两款适用于大型彩色显示屏的16通道恒流下沉式LED驱动器TLC5940和TLC5923,其数据传输速率均为30MHz,提供了更高的系统可靠性及更佳的动态亮度控制,使大型运动场的记分板、广告显示及视频显示屏等设备具有更高的分辨率。

四、LED显示屏的优缺点

(1)LED显示屏的优点。

•寿命长,比LCD显示屏寿命长10倍以上;

•节能环保,是典型的绿色显示光源;

•显示性能优越,是目前唯一能够在户外全天候使用的大型显示终端;

•由于单颗LED的功率很低,发热量小;

•因为轻薄、色彩纯正等特点,应用范围广。

(2)LED显示屏的缺点。

•由于它的亮度太高,给人们的城市生活带来了许多困扰:

•LED显示屏对于观看距离有一定的要求,如果近距离观看会产生刺眼的感觉,而且近距离的观看效果也难让人满意等,这也让许多户外用户困扰不已;

•LED显示墙的造价比较昂贵,尤其是全色显示屏价格很高,尺寸越大,成本越高;

•在画面的精细度上相比投影机也会差一些。

由上看出,LED显示屏在节能环保和显示效能上都优于一些传统的显示设备,但是LED显示屏也存在光污染、造价偏贵、不适于近距离观看等,所以用户选择LED显示屏要考虑最终的使用环境才能扬长避短,发挥LED显示屏的优势。