尤文堅，戴 勵

(1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，廣西 南寧 530007;2.廣西人民廣播電臺技術(shù)部，廣西 南寧 530022)

LED顯示屏融合了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)，其動態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長、工作穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于商業(yè)傳媒、信息傳播、新聞發(fā)布等，發(fā)展前景非常廣闊，并正朝著高耐氣候性、高發(fā)光密度、高發(fā)光均勻性及全色化方向發(fā)展。

本文介紹的超長LED顯示屏，長8.3 m，高0.9 m，對信息的同步性、穩(wěn)定性要求高，置于一個大型的視頻設(shè)備實驗室中，實驗室有幾十臺敞開式的精密視頻實驗設(shè)備，還有大量的精密測量儀器，包括數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、交流毫伏表、頻譜分析儀等，電磁環(huán)境異常復(fù)雜。實驗證明，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧顺L的LED顯示屏點亮?xí)r會對實驗室的電子儀器設(shè)備帶來明顯的干擾，如在顯示屏與實驗裝置距離0.5 m測試，視頻實驗設(shè)備的屏幕會強烈晃動，行電流在0.1～0.9 A之間變動，示波器及交流毫伏表都感應(yīng)出明顯的干擾信號。同時，盡管不是很明顯，實驗裝置的電磁輻射對顯示屏工作的穩(wěn)定性也有影響。

電磁兼容性(EMC)是指系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能夠正常工作且不對該環(huán)境中的設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。國家EMC標準要求，顯示屏的電磁輻射應(yīng)滿足GB/T19954.1—2005的要求，抗擾度應(yīng)滿足 GB/T19954.2—2005的要求，顯示屏在3C認證中，認證機構(gòu)大都采用GB9254標準［1］，該標準要求A級設(shè)備的主要限值為:30～230 MHz 40 dB(μV/m)10 m;230～1000 MHz 47 dB(μV/m)10 m。如果在系統(tǒng)設(shè)計中未考慮EMC的要求，則不可能符合3C標準的要求。

本顯示屏長8.3 m(含連接邊框)，屬于超長顯示屏，存在數(shù)據(jù)延遲的問題，如顯示屏水平方向需要32塊單元模組，每塊單元模組串接了8塊移位鎖存器74HC595。74HC595單個芯片的延遲時間為20 ns，則信號在顯示屏單元板中沿水平方向的延遲時間為8×32塊×20 ns=5.12 μs［2］。因此，為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求，在系統(tǒng)的設(shè)計中，需要注意選擇高性能的器件，適當(dāng)改變LED顯示屏單元板排列的方式，通過軟硬結(jié)合的方法提高控制系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計重點解決兩個問題，一個是超長顯示屏信息的同步性問題，另一個是復(fù)雜電磁環(huán)境下的EMC問題。超長LED顯示屏數(shù)據(jù)輸出速度慢，實驗表明，如控制系統(tǒng)采用89C51單片機作為微處理器，在系統(tǒng)的刷新率、同步性及控制的靈活性方面很難達到要求。本系統(tǒng)的控制卡以NXP公司的ARM7芯片LPC2220FBD144為核心，該芯片指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線，采用3級流水線，內(nèi)嵌256 kbyte的高速閃爍存儲器，其指令最短周期可以達到17 ns，芯片處理能力強并且速度快、功耗低、資源配置靈活，非常適用于處理顯示屏數(shù)據(jù)。系統(tǒng)擴展ISSI公司的 IS62L內(nèi)存和 M29W160EB存儲器，M29W160EB是16 Mbit的閃存，共有35個存儲器塊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出以DMA方式完成，實現(xiàn)了超長LED顯示屏的高速刷新。

系統(tǒng)使用了120塊顯示屏單元，拼接成24×5的結(jié)構(gòu)，顯示屏單元每塊長31.8 cm，高15.8 cm，整個顯示屏長為7.6 m，高為0.8 m。為了滿足此超長顯示屏的高同步性要求，采用了2塊控制卡，一塊同步卡，其示意圖如圖1所示。

圖1 顯示屏拼接示意圖

文獻［2］介紹了一種超長LED顯示屏的驅(qū)動方式，其特點是將顯示屏2和控制卡2作為一個整體，以中心為原點旋轉(zhuǎn)180°，然后將控制卡1、控制卡2及同步控制卡合并為一個控制卡，如圖2所示。這樣控制卡的位置與顯示屏1和顯示屏2的連接距離均為0，消除了在頻率大于1 MHz時，長距離線間電容對信號衰減的影響，只要妥當(dāng)處理水平移動時的數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)輸出方式，就能最大限度地保證超長LED顯示屏數(shù)據(jù)的雙向高速輸出。這種驅(qū)動方式也非常適應(yīng)于本系統(tǒng)，但基于簡潔性及成本的考慮，本系統(tǒng)并未采用。

圖2 一種超長LED顯示屏驅(qū)動方式

1.2 系統(tǒng)安裝及EMC設(shè)計

顯示屏置于一個復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下，在其放置的實驗室中，有幾十臺電路板敞開式的視頻實驗設(shè)備，有大功率的三相電源及大量的測試儀器設(shè)備，電磁干擾的頻譜很復(fù)雜，覆蓋了工頻、射頻及微波。此復(fù)雜的電磁環(huán)境對顯示屏數(shù)據(jù)的傳輸及正常顯示有一定的影響，但是影響并不明顯，因為顯示屏具有高速刷新的能力，其抗干擾的能力比較強。但是顯示屏本身的電磁輻射對實驗室儀器設(shè)備的干擾很大，其箱體的電磁輻射主要集中在30～1000 MHz頻段，在30～400 MHz特別明顯。實測證明，顯示屏的電磁輻射主要來自于具有高速IC芯片的控制卡、扁平電纜及插接件、電源等，并且顯示屏箱體內(nèi)電磁輻射遠大于顯示屏正面的電磁輻射。

本顯示屏的箱體外框使用鋁合金制作，中間使用了45#鋼板制成的加強筋，背面使用鋁塑板密封，構(gòu)成一個嚴密的屏蔽體。安裝時顯示屏之間的縫隙盡量小，顯示屏的前面有金屬網(wǎng)格屏蔽層，在顯示屏的左右兩側(cè)留出散熱孔，并安裝有散熱風(fēng)扇。電源系統(tǒng)的功率因數(shù)校正器置于顯示屏的右側(cè)，這主要是基于散熱及維護的便利性考慮，15個電源模塊均布在顯示屏的中部，每個電源模塊都有金屬屏蔽外殼，電源線從頂部平直拉過，使得電源支線盡量短。在控制卡、同步卡及轉(zhuǎn)接卡上安裝有金屬屏蔽罩，信號連接線盡量短，對于確實需要的長信號線，盡量使兩端的阻抗匹配，減小信號反射產(chǎn)生波形畸變，形成駐波而產(chǎn)生電磁輻射。在信號線上使用鐵氧體磁環(huán)對高頻共模干擾電流進行濾波，因為共模電流的存在是導(dǎo)致輻射過大的主要因素，鐵氧體磁環(huán)的選擇要結(jié)合其插入損耗隨頻率變化的曲線選擇效果才會好［3］。

顯示屏箱體的金屬接縫處盡量搭接良好，使搭接電阻盡可能小，特別是箱體的后蓋與箱體要盡可能連接緊密，確保整個箱體外殼和大地等電位，才能具有較好的屏蔽效果。另外，電源的傳導(dǎo)干擾不能忽略，采用了改進的拓撲結(jié)構(gòu)，在下一節(jié)討論。

2 顯示屏單元的選用

顯示屏單元選用P10模組，P10模組比較成熟可靠，每塊模組有16行，32列，共512個發(fā)光二極管，使用的驅(qū)動芯片有74HC595，74HC245/244，74HC138，4953 等，電路框圖如圖3所示。

圖3 顯示屏電路框圖

74HC245是信號功率放大芯片，顯示屏是由多塊單元板串接而成的，而控制信號比較弱，在信號傳遞過程中需要進行功率放大。74HC138是譯碼器，用來選擇顯示行，單元板上有2塊74HC138，這樣就可以在16行中選擇1行顯示。P10模組上有16片74HC595，它是8位移位鎖存器，用于驅(qū)動顯示列，有些模組使用 TB62726代替74HC595，一片TB62726可以驅(qū)動16列;4953是行驅(qū)動管，每一顯示行需要的電流比較大，要使用行驅(qū)動管，每片4953可以驅(qū)動2個顯示行。

3 顯示屏模組供電的拓撲設(shè)計

電磁兼容、低能耗、散熱、防水等是LED顯示屏設(shè)計要考慮的重要內(nèi)容，大型LED顯示屏耗能大，隨著顯示內(nèi)容的變換，電流動態(tài)變化范圍大，本系統(tǒng)使用單相電源供電。據(jù)實測，在顯示屏靜態(tài)顯示一行文字以及滿屏顯示時，其供電電流在2～19 A變化。如顯示屏模組由不帶PFC矯正的開關(guān)電源供電，會產(chǎn)生嚴重的諧波失真，波形畸變嚴重，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，干擾實驗室中其他儀器設(shè)備的正常工作。LED顯示屏系統(tǒng)對供電網(wǎng)絡(luò)的影響主要是第3次、第5次、第7次、第9次、第11次諧波電流，諧波疊加后，造成系統(tǒng)綜合功率因素低下，通常低于0.75，遠遠低于國家標準的要求［4］。與本顯示屏連接同一電網(wǎng)的敏感電子儀器眾多，為了滿足EMC的要求，參考文獻［4］介紹了新型LED顯示模組供電拓撲，設(shè)計此超長顯示屏的供電體系，其原理如圖4所示。

圖4 顯示屏系統(tǒng)電源拓撲

NCP1653是集成功率因數(shù)校正(PFC)芯片，采用獨特的校正技術(shù)，使PFC電路的輸入阻抗保持恒定，從而使PFC電路的輸入電流與輸入電壓成正比，只需連接少量的外圍器件，就能實現(xiàn)電路的PFC控制。PFC模塊的具體電路已經(jīng)比較成熟，主要由芯片NCP1653、開關(guān)器件、升壓電感器、升壓二極管、輸出濾波電容及反饋環(huán)路組成，電路在90～260 V寬輸入電壓范圍內(nèi)得到400 V的穩(wěn)定直流電壓輸出，功率因數(shù)接近1，諧波畸變很小?？刂瓢寮帮@示屏的電源模塊實現(xiàn)DC—DC變換，可以使用基于NCP1207的開關(guān)電源實現(xiàn)。此供電拓撲結(jié)構(gòu)通過有源功率因數(shù)校正器將DC—DC變換與電網(wǎng)隔離，并進行了PFC有源校正，對電網(wǎng)無諧波干擾，同時顯示屏內(nèi)部電源總線采用400 V直流電壓傳輸，減少了傳輸損耗。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)經(jīng)過長時間的運行，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下顯示正常，動態(tài)特性良好，對電網(wǎng)無諧波干擾，對周圍的精密電子儀器設(shè)備無干擾，利用電磁波輻射測試儀檢測電磁泄漏，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。需要注意的是，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，檢測出的數(shù)值是環(huán)境中綜合影響的結(jié)果。

表1 電磁輻射檢測

5 分析與討論

超長LED顯示屏數(shù)據(jù)輸出速度慢，可以從合理組織數(shù)據(jù)和提升硬件性能兩方面解決，方案一是將顯示數(shù)據(jù)按輸出順序連續(xù)排列在存儲器中，由控制電路將數(shù)據(jù)以DMA方式直接輸出，并利用單片機的擴展功能自動產(chǎn)生移位時鐘，結(jié)合軟件優(yōu)化實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的高速輸出，可以實現(xiàn)超長顯示屏高刷新頻率的要求［5］。方案二是提高硬件電路的頻率特性，當(dāng)然可以改善動態(tài)特性，但會增加電磁干擾，改變顯示屏單元板的排列方式，使用新的超長顯示屏控制系統(tǒng)驅(qū)動方式是一種思路，但并未成熟，有關(guān)雙向超長LED顯示屏控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織和硬件實現(xiàn)方法等，都有待進一步研究和探索。

顯示屏的顯示驅(qū)動、開關(guān)電源、信號處理等電路存在大量的脈沖信號，如數(shù)據(jù)、時鐘、鎖存、亮度控制等信號，這種高頻脈沖信號具有豐富的高次諧波，是產(chǎn)生電磁輻射的激勵源，特別是時鐘信號占空比為50%的方波，其第3，5次諧波的能量很高，是電磁輻射的重要來源。從抑制電磁輻射的角度考慮，激勵源的脈沖頻譜不能太寬，降低脈沖頻率及不片面追求使用高速電路，對于抑制電磁輻射是有利的［6］。顯示屏內(nèi)部大量電纜、連接件及PCB電路板上的布線構(gòu)成了輻射器，尤其在滿足特定條件時輻射效率會增加。從實際的檢測結(jié)果看，無論是電源電纜還是信號電纜，都會產(chǎn)生強烈的輻射，構(gòu)成環(huán)天線輻射和單極天線輻射，特別是電源電纜產(chǎn)生的低頻干擾不能忽視，當(dāng)距離電源線小于40 mm時，電磁輻射的場強會大于2000 V/m。信號電纜可以利用屏蔽線、添加鐵氧體磁環(huán)、縮小長度加以抑制，電源電纜的輻射在必要時可以加裝濾波器加以抑制。

顯示屏的傳導(dǎo)干擾主要通過電源線傳播，可以通過電網(wǎng)把干擾傳播到非常廣的范圍。測量表明，傳導(dǎo)干擾的頻率最高為幾十兆赫茲，因為當(dāng)頻率升高時，導(dǎo)體損耗、布線電感及分布電容使傳導(dǎo)電流大大衰減［7］。接地是抑制干擾的有效手段，從以上的測試可知，系統(tǒng)有無接地其電磁輻射的數(shù)值相差很大，如果系統(tǒng)沒有接地，顯示屏的邊框、加強筋、電源板的屏蔽外殼都變成了發(fā)射天線，電磁泄漏很強，特別要注意的是顯示屏箱體不能有突出的金屬物體，這會大大增強電磁輻射。另外，顯示屏電路的工作頻率一般高于10 MHz，應(yīng)采用多點網(wǎng)狀的接地方式，地線應(yīng)連接到最近的低阻抗地線排，地線排一般使用與機殼相連的扁粗金屬導(dǎo)體，其感抗很小，效果比較好。

6 小結(jié)

設(shè)計與制作了一套在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的超長LED顯示屏，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、正常，其動態(tài)特性、電磁干擾等指標符合設(shè)計要求，并且性價比高，對超長顯示屏的實現(xiàn)以及其在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁兼容性進行了有成效的研究。顯示屏技術(shù)及電磁兼容理論不斷發(fā)展，有很多相關(guān)的技術(shù)問題還有待進一步研究，如電磁兼容模型、電磁兼容預(yù)測、超長冷媒顯示屏在復(fù)雜電磁環(huán)境下的應(yīng)用等。

［1］GB9254—2008，信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法［S］.2008.

［2］靳桅，李騏，鄔芝權(quán).超長LED顯示屏驅(qū)動方式研究［J］.電視技術(shù)，2009，33(2):23－25.

［3］邱榮邦.LED顯示屏電磁輻射干擾的形成與抑制［J］.現(xiàn)代顯示，2008(87):221－224.

［4］任興業(yè).一種新型LED顯示模組供電拓撲［J］.電子設(shè)計工程，2010，18(8):157－161.

［5］劉全，靳桅.超長LED顯示屏控制系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2008，23(6):744－750.

［6］陸榮慶.LED顯示屏電磁兼容(EMC)探討［C］//2008全國LED顯示應(yīng)用技術(shù)交流暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會論文集.北京:［s.n.］，2008:27－30.

［7］郭銀景，呂文紅，唐富華，等.電磁兼容原理及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.