張曉芳，陳宇博

（1.漳州理工職業(yè)學(xué)院，福建漳州 363000；2.漳州蒙發(fā)利實(shí)業(yè)有限公司，福建漳州 363000）

0 引言

目前，國(guó)外LED 顯示屏市場(chǎng)趨近飽和，加上國(guó)際經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷，新興市場(chǎng)發(fā)力遲緩，致使LED 顯示屏行業(yè)出現(xiàn)大幅萎縮，后LED 顯示屏?xí)r代即將來臨。面對(duì)市場(chǎng)增長(zhǎng)乏力的現(xiàn)狀，全彩顯示屏將以其更生動(dòng)、更豐富的顯示內(nèi)容、更大的創(chuàng)意空間，全面滿足個(gè)性化需求，同時(shí)具備數(shù)字時(shí)代的傳播概念，未來將逐步成為L(zhǎng)ED 顯示屏的主流產(chǎn)品。LED材料器件技術(shù)和性能不斷提高，電子技術(shù)發(fā)展日新月異，為L(zhǎng)ED 顯示屏產(chǎn)品的技術(shù)深化和提高帶來良好的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更為L(zhǎng)ED 顯示產(chǎn)業(yè)帶來良好契機(jī)[1]。因此，LED顯示屏行業(yè)的市場(chǎng)發(fā)展前景非常樂觀。

經(jīng)過多年的發(fā)展創(chuàng)新，LED 顯示屏已逐步從當(dāng)初的單、雙色主導(dǎo)產(chǎn)品過渡到現(xiàn)在性價(jià)比更高的全彩顯示產(chǎn)品。LED 顯示屏應(yīng)用的成熟，也使整個(gè)行業(yè)面臨著利潤(rùn)被逐漸攤薄，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)激烈的現(xiàn)狀。在新的市場(chǎng)格局下，點(diǎn)間距越來越小、穩(wěn)定性越來越高、顯示效果越來越高清、畫面質(zhì)量越來越細(xì)膩、安裝使用越來越智能化，并通過深化技術(shù)內(nèi)涵，豐富產(chǎn)品體系，倡導(dǎo)產(chǎn)品多元化，突出主導(dǎo)產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)將是LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。具有高密度、高清晰度、寬角度、高亮度、高刷新率、高對(duì)比度、智能控制、節(jié)能環(huán)保等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的高端LED顯示屏必將成為重點(diǎn)發(fā)展的對(duì)象。

室內(nèi)LED 全彩顯示屏性價(jià)比的提升，將使傳統(tǒng)的單、雙色顯示屏主導(dǎo)產(chǎn)品逐漸失去市場(chǎng)，全彩LED 顯示屏將擁有無可比擬的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)LED顯示屏發(fā)展趨勢(shì)[2]，在技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推廣下，高端LED 顯示屏具有的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更加明顯。首先，高端LED 顯示屏是指LED 點(diǎn)間距在P2.5 以下，具有高密度、小間距特征的室內(nèi)全彩LED 顯示屏，主要包括P2.5、P2.0、P1.875、P1.5 等系列產(chǎn)品。其次，高密度、小間距LED 顯示屏是整套系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包括LED 顯示系統(tǒng)、高清顯示控制系統(tǒng)以及散熱系統(tǒng)等。高端LED 顯示屏采用像素級(jí)的點(diǎn)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏像素單位的亮度、色彩的還原性和統(tǒng)一性的狀態(tài)管控。

以往，LCD 液晶屏占據(jù)低端顯示市場(chǎng)半壁江山，室內(nèi)中高端市場(chǎng)則以DLP 背投顯示為主。但是LCD 在能耗、亮度、刷新率、輻射和散熱等方面都不及LED，而DLP 又存在諸多天然缺陷。首先，根本無法消除顯示單元之間1 mm的拼縫，可以至少吞噬掉一個(gè)顯示像素；其次，在色彩表現(xiàn)力方面也遜色于直接發(fā)光的LED 顯示屏。尤為不足的是，由于DLP顯示單元之間的差異，造成整個(gè)顯示屏的色彩和亮度的均勻性很難掌控，隨著產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間的增加，單元之間的色彩差異會(huì)越來越大，拼縫也很難保持一致，后期維護(hù)比較困難。

高端LED 顯示屏最大的競(jìng)爭(zhēng)力在于顯示屏可實(shí)現(xiàn)完全無縫拼接，以及顯示色彩的自然真實(shí)。完全無縫拼接，可消除單元亮度衰減和顏色漂移不一致的問題。此外，高端LED 顯示屏還具有逐點(diǎn)可調(diào)、可校正，動(dòng)態(tài)刷新頻率更高，色彩還原性更好，灰度等級(jí)更高，壽命更長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[3]。在后期維護(hù)方面，LED 顯示屏擁有成熟的逐點(diǎn)校正技術(shù)，使用兩年以上的顯示屏可使用儀器進(jìn)行整屏的一次性校正，操作過程簡(jiǎn)單，顯示效果明顯。

1 工作原理

P1.5 高清室內(nèi)LED 全彩顯示屏是由獨(dú)立的全彩模組拼接而成，模組內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)均由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三基色組成，通過LED全彩控制系統(tǒng)，使顯示屏實(shí)現(xiàn)全彩色顯示。LED 全彩顯示屏具有色彩豐富、高飽和度、高解析度、顯示頻率高等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 P1.5高清LED全彩顯示屏系統(tǒng)構(gòu)成

P1.5 高清LED 全彩顯示屏系統(tǒng)是基于LED 顯示屏設(shè)備的大型電子設(shè)備工程系統(tǒng)[4]。它包括6 大模塊：LED 全彩顯示屏設(shè)備；LED 顯示屏控制系統(tǒng)；LED 顯示屏信息處理系統(tǒng)；LED 顯示屏配電系統(tǒng)；LED 顯示屏安全防護(hù)系統(tǒng)；LED 顯示屏結(jié)構(gòu)框架工程。系統(tǒng)模塊構(gòu)成如圖1所示。

P1.5 高清LED 全彩顯示屏系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成模塊之間存在著緊密的聯(lián)系。

圖1 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

（1）LED 全彩顯示屏設(shè)備。包括顯示屏箱體、安裝片和LED 全彩顯示模組，用于顯示文本、圖像、視頻等。

（2）LED 顯示屏控制系統(tǒng)。包括LED 顯示屏控制卡、發(fā)送卡、通訊網(wǎng)線或光纖及配套轉(zhuǎn)接器或無線傳輸模塊等，用于數(shù)據(jù)信號(hào)的控制與傳輸。

（3）LED 顯示屏信息處理系統(tǒng)。包括音視頻處理器、外接轉(zhuǎn)換設(shè)備等，用于音視頻信號(hào)的獲取與處理。

（4）LED 顯示屏配電系統(tǒng)。包括顯示屏配電箱及內(nèi)置遠(yuǎn)程上電模塊，為整個(gè)LED 顯示屏系統(tǒng)提供電源。

（5）LED 顯示屏安全防護(hù)系統(tǒng)。包括防水、防塵、防雷、防震，以及防過壓、過流、短路、斷路等，用于整個(gè)LED顯示屏系統(tǒng)的保護(hù)。

（6）LED 顯示屏結(jié)構(gòu)框架工程。包括鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作，箱體和LED 模組的安裝，以及框架、包邊、立柱、基礎(chǔ)等工程內(nèi)容，為L(zhǎng)ED 顯示屏的屏體安裝提供輔助支持。

1.2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

為了更直觀、更深入地理解系統(tǒng)的工作原理和各個(gè)模塊的功能，可參考P1.5 高清LED 全彩顯示屏系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖2所示。

圖2 P1.5高清LED全彩顯示屏系統(tǒng)拓?fù)鋱D

從拓?fù)鋱D可知，音視頻切換矩陣從外接應(yīng)用設(shè)備中獲取視頻源，并解析出全彩視頻信號(hào)與音頻信號(hào)，音頻信號(hào)可直接輸出至音響系統(tǒng)，全彩視頻信號(hào)必須經(jīng)過視頻前端處理器處理后，方可輸出至全彩屏控制器。顯示屏控制機(jī)則提供必要的應(yīng)用程序控制信號(hào)和計(jì)算機(jī)信號(hào)，并同步輸出至全彩屏控制器。視頻信號(hào)、控制信號(hào)和計(jì)算機(jī)信號(hào)在全彩屏控制器內(nèi)進(jìn)行綜合處理與控制，再通過通訊光纖把完整的顯示信息傳輸至全彩色顯示屏，使LED 顯示屏最終實(shí)現(xiàn)全彩色顯示。

2 P1.5 LED 全彩模組硬件原理設(shè)計(jì)

P1.5 高清室內(nèi)LED 全彩顯示屏由P1.5 LED 全彩模組拼接而成。P1.5 LED 全彩模組硬件電路可分核心電路與輔助優(yōu)化電路兩個(gè)部分。相較于普通LED全彩模組，P1.5 高清室內(nèi)LED 全彩模組具有更高的技術(shù)含量和更好的顯示效果。

2.1 模組功能電路

為了實(shí)現(xiàn)P1.5 LED 全彩模組的高清顯示，其硬件電路構(gòu)成具備以下9 種功能電路：LED 顯示電路、行驅(qū)動(dòng)電路、列驅(qū)動(dòng)電路、譯碼電路、信號(hào)接口電路、信號(hào)處理電路、功率放大電路、芯片保護(hù)電路、暗亮消隱電路等。其中，前4種功能電路為核心電路，后5種功能電路為輔助優(yōu)化電路。LED全彩模組功能電路框圖如圖3所示。

圖3 P1.5 LED全彩模組功能電路

從模組功能電路框圖可知，信號(hào)接口電路包含信號(hào)輸入和信號(hào)輸出2部分，模組功能電路中使用的信號(hào)又分為數(shù)據(jù)信號(hào)、掃描信號(hào)和控制信號(hào)3種?？刂菩盘?hào)必須先進(jìn)行信號(hào)處理，再與數(shù)據(jù)信號(hào)、掃描信號(hào)共同進(jìn)行功率放大。功率放大后的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)直接輸入到列驅(qū)動(dòng)電路，用于控制列驅(qū)動(dòng)芯片并輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。控制信號(hào)則輸入到保護(hù)電路中，使保護(hù)芯片產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)并輸出，且與掃描信號(hào)共同輸入至譯碼電路，通過譯碼芯片進(jìn)行譯碼輸出并作用于行驅(qū)動(dòng)電路，用于控制行驅(qū)動(dòng)芯片。在行驅(qū)動(dòng)輸出端增加暗亮消隱電路，可消除LED 顯示過程中出現(xiàn)的前后拖影現(xiàn)象。P1.5 LED 全彩顯示模組則在行驅(qū)動(dòng)和列驅(qū)動(dòng)的共同作用下，顯示出全彩圖像。經(jīng)過功率放大后的掃描信號(hào)、控制信號(hào)和列驅(qū)動(dòng)芯片輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，則共同用于本模組的信號(hào)輸出。

2.2 硬件原理設(shè)計(jì)

硬件原理電路的設(shè)計(jì)可以分為核心電路和輔助優(yōu)化電路兩大部分。核心電路分為4個(gè)部分：LED顯示電路、行驅(qū)動(dòng)電路、列驅(qū)動(dòng)電路和譯碼電路。本文將著重對(duì)LED 顯示電路、行驅(qū)動(dòng)電路、列驅(qū)動(dòng)電路和譯碼電路進(jìn)行討論。

（1）LED顯示電路

LED 燈珠（SMD1010 封裝）為全彩色顯示元件，具有發(fā)光角度大、一致性好、散熱效果佳、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，專為P1.5 高端LED 顯示模組設(shè)計(jì)。

LED燈珠引腳及測(cè)試參數(shù)如圖4所示。由參數(shù)圖可知（測(cè)試溫度Ta=25 ℃），紅、綠、藍(lán)3色的測(cè)試電流分別為8 mA、5 mA、3 mA 時(shí)，3 種顏色的管壓降均值分別為2 V、3 V、3 V，亮度均值的配比則為3∶6∶1，正好為標(biāo)準(zhǔn)的亮度白平衡比例。因此，本次設(shè)計(jì)的燈珠電流以此參數(shù)為準(zhǔn)。

圖4 LED燈珠引腳及測(cè)試參數(shù)

LED 燈珠為共陽(yáng)極，第①腳須接行掃輸出，剩余3腳接對(duì)應(yīng)顏色列驅(qū)動(dòng)輸出。LED顯示電路[5]如圖5所示。圖中，H1 為陽(yáng)極網(wǎng)絡(luò)，P1R0、P1G0、P1B0分別為紅、綠、藍(lán)3色的陰極網(wǎng)絡(luò)。

（2）行驅(qū)動(dòng)電路

行驅(qū)動(dòng)芯片STM4953 芯片（SO-8 封裝）為雙P溝道增強(qiáng)型MOS管，其內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立的P溝道金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管。它具有超低的導(dǎo)通電阻，適用于LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路。

芯片引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6 所示。圖中D 為漏極，G為柵極，S為源極。

圖5 LED顯示電路

圖6 STM4953芯片引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)P 溝道增強(qiáng)型MOS 管的工作原理，只有當(dāng)源極S為高電平，柵極G為低電平時(shí)，漏極D才能輸出高電平，用于LED 顯示電路行掃。因此，S1、S2引腳接電源（置高電平），G1、G2 引腳接譯碼芯片輸出信號(hào)（74HC138BQ 輸出低電平有效），D1、D2引腳作為輸出端。行驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

圖7 行驅(qū)動(dòng)電路

（3）列驅(qū)動(dòng)電路

列驅(qū)動(dòng)芯片MBI5041GFN 芯片（QFN24L 封裝）是專為L(zhǎng)ED 全彩顯示屏設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)IC，內(nèi)建16 位灰階控制的脈波寬度調(diào)變功能。芯片內(nèi)建16 位位移緩存器，可將串行的輸入資料轉(zhuǎn)換成每個(gè)輸出通道的灰階像數(shù)，且芯片16 個(gè)恒流輸出通道所輸出的電流值不受輸出端負(fù)載電壓影響，并提供一致恒定的輸出電流。通過選用不同阻值的外接電阻，可調(diào)整芯片各輸出級(jí)的電流大小。此外，還可以藉由可程序化的6 位電流增益調(diào)整，控制整體LED 的驅(qū)動(dòng)電流。芯片引腳如圖8所示，引腳說明如表1所示。

圖8 MBI5041GFN芯片引腳

表1 MBI5041GFN引腳說明

參照列驅(qū)動(dòng)芯片的引腳說明，對(duì)列驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。CLK1、STB1、OE1 分別接入到時(shí)鐘、鎖存、灰階引腳端，RD1_1為串行數(shù)據(jù)輸入，RD1_2為串行數(shù)據(jù)輸出，P1R0-P1R15為L(zhǎng)ED列驅(qū)動(dòng)恒流輸出，UR1為外接電阻輸入（R1電阻為邊調(diào)，RR電阻為總調(diào)），VCC與GND分別接至電源端與接地端。列驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示。

圖9 列驅(qū)動(dòng)電路

MBI5041GFN 芯片外接電阻Rext調(diào)整輸出電流（Iout），可套用下列公式計(jì)算輸出電流值：VR-EXT=0.61Volt×G；Iout=(VR-EXT/Rext)×23，原始G值設(shè)定值為1。參照輸出電流計(jì)算公式和已知目標(biāo)電流值，可推算外接電阻Rext的阻值。紅、綠、藍(lán)外接電阻取值如下。

紅色：Iout=8 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=1 754 Ω

綠色：Iout=5 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=2 806 Ω

藍(lán)色：Iout=5 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=4 677 Ω

外接電阻Rext的阻值由邊調(diào)及總調(diào)共同組合而成。每個(gè)列驅(qū)動(dòng)芯片均有1個(gè)邊調(diào)電阻，整個(gè)LED全彩模組只有1 個(gè)總調(diào)，因此邊調(diào)電阻必須全部并接，再串接總調(diào)電阻接地。根據(jù)LED 全彩模組像素大小，紅、綠、藍(lán)三色驅(qū)動(dòng)芯片各需32 個(gè)，即每種顏色均有32 個(gè)邊調(diào)電阻。外接電阻Rext、邊調(diào)電阻Ra、總調(diào)電阻Rx，三者之間存在以下關(guān)系：Rext=Ra+32×Rx。按照常用電阻阻值表及推算出的外接電阻阻值，紅、綠、藍(lán)3色邊調(diào)電阻與總調(diào)電阻可近似取值如下。

紅色：Rext=1 754 Ω；Ra=820 Ω；Rx=30 Ω

綠色：Rext=2 806 Ω；Ra=1 200 Ω；Rx=51 Ω

藍(lán)色：Rext=4 677 Ω；Ra=1 500 Ω；Rx=100 Ω

（4）譯碼電路

譯碼電路原理圖如圖10 所示。模組掃描方式亦為1/16掃，控制線同為16根（S0～S15）。譯碼電路[6]所用芯片為74HC138BQ（DHVQFN16封裝），此芯片為3 線-8 線譯碼器。其中，Q 為保護(hù)信號(hào)，接入至引腳，用于譯碼芯片保護(hù)。A、B、C、D為掃描信號(hào)，按照譯碼芯片的功能真值表進(jìn)行電路連接。通過使用2個(gè)3線-8線譯碼器，亦可組成1/16掃譯碼電路。

圖10 譯碼電路原理圖

（5）信號(hào)處理電路

P1.5 LED全彩模組原理設(shè)計(jì)[7]中，信號(hào)處理電路將專門針對(duì)控制信號(hào)來進(jìn)行。控制信號(hào)中，時(shí)鐘CLK、鎖存STB、灰階OE，三者缺一不可，它們是否正常工作將直接影響全彩模組能否正常顯示。信號(hào)處理電路對(duì)控制信號(hào)主要起兩點(diǎn)作用。一是LED全彩模組電路[8]中，CLK、STB為上升沿有效，OE為低電平有效。P1.5 LED 全彩模組上電時(shí)，將CLK、STB、OE 置為初始高電平，在無控制信號(hào)輸入狀態(tài)下，可保證全彩模組不顯示，對(duì)LED 燈珠起保護(hù)作用。二是輸入的控制信號(hào)高電平（TTL電路）可能低于電路最低高電平（CMOS 電路），電路抗干擾能力差，受外界干擾易造成全彩模組顯示不正常。信號(hào)處理電路可拉升高電平，并極大地改善電路抗干擾能力，提高電路穩(wěn)定性。

（6）功率放大電路

P1.5高清全彩顯示屏[9]是由若干數(shù)量的LED全彩模組拼接而成，模組內(nèi)部電路復(fù)雜，對(duì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力要求極高，為保證顯示屏正常工作，模組必須增加功率放大電路，用于增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。功率放大電路所用芯片為74HC245BQ（DHVQFN20 封裝），它是一種三態(tài)輸出、八路信號(hào)收發(fā)器，主要用于增強(qiáng)電路驅(qū)動(dòng)能力。芯片引腳及功能表如圖11所示。

圖11 74HC245BQ芯片引腳及功能表

圖12 功率放大電路

（7）芯片保護(hù)電路

LED 全彩模組使用74HC123BQ 芯片進(jìn)行電路保護(hù)，它是一款高速CMOS器件，為雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度可以由3種方式控制。一是通過選擇外部定時(shí)元件Cext 和Rext 的值來確定脈沖寬度；二是通過正觸發(fā)輸入端（nB）或負(fù)觸發(fā)輸入端（）的重復(fù)觸發(fā)延長(zhǎng)twp；三是通過清零端（）的清零使twp縮小。芯片引腳及功能表如圖13所示。

圖13 74HC123BQ芯片引腳及功能表

圖14 芯片保護(hù)電路

3 結(jié)束語(yǔ)

LED 全彩顯示屏將以其更生動(dòng)、更豐富的顯示內(nèi)容、更大的創(chuàng)意空間，全面滿足個(gè)性化需求，同時(shí)具備數(shù)字時(shí)代的傳播概念，未來將逐步成為視頻顯示的主流產(chǎn)品。LED 顯示屏在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中的具體應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：（1）證券交易和金融信息顯示；（2）調(diào)度指揮中心信息顯示；（3）商場(chǎng)和購(gòu)物中心信息顯示；（4）車站和港口旅客引導(dǎo)信息顯示；（5）道路交通信息顯示；（6）機(jī)場(chǎng)航班動(dòng)態(tài)信息顯示；（7）展覽會(huì)和直播演出；（8）體育場(chǎng)館信息顯示；（9）廣告媒體；（10）LED多媒體電視等。

P1.5 高清室內(nèi)LED 全彩顯示屏的電路設(shè)計(jì)，其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)和效果。P1.5高清LED 全彩顯示屏的硬件原理設(shè)計(jì)主要圍繞核心電路和輔助優(yōu)化電路兩大部分進(jìn)行，本文著重對(duì)譯碼電路、行驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了討論。通過各功能電路的設(shè)計(jì)，最終完成了高端LED 全彩顯示屏模組電路設(shè)計(jì)。