一、引言

20世紀90年代以來，LED顯示屏的制造技術和應用水平日益提高，在LED器件材料和控制技術方面也不斷涌現新的成果，高亮度藍色LED和純綠色LED芯片的問世和商品化，使得全彩色LED顯示屏成為現實并大量進入市場。LED顯示屏經歷了單色，雙色圖文顯示屏，到圖像顯示屏，直到全彩色LED視頻顯示屏。在此發展過程中，LED顯示屏控制系統也經歷了從低灰度4bit到高達16bi t灰度的發展過程，顯示屏的動態顯示效果不斷提高;從最初簡單的模擬通信方式到現在的實時數字信號遠距離傳輸，使顯示屏能夠快速顯示高清晰的畫面;從最初幾十赫茲的刷新頻率到現在高達上千赫茲的刷新頻率，使顯示屏適用于各種影像拍攝器材而畫面無閃爍。

LED顯示屏控制系統分為異步控制系統和同步控制系統。

異步控制系統又稱脫機控制系統，早期脫機控制系統主要用來顯示各種文字、符號和圖形或動畫為主。畫面顯示信息由計算機編輯，經RS232/485串行口預先置入LED顯示屏具有存儲功能的顯示控制系統中，然后脫離計算機播放，循環往復，顯示方式豐富多彩，效果變化多樣。其主要特點是：操作簡單、價格低廉、使用范圍較廣。近年來，由于RISC芯片技術的迅速發展及嵌入式操作系統的廣泛應用，脫機控制系統在顯示、控制及處理能力方面得到突破，可以支持高分辨率全彩LED屏幕的顯示控制和標清、高清視頻的播放。

同步控制系統，主要用來實時顯示視頻、圖文、信息發布等，用于室內或戶外全彩大屏幕顯示屏。同步控制系統控制的LED顯示屏的工作方式基本等同于電腦的監視器，它以至少60幀/秒更新速率點點對應地實時映射電腦監視器或其他視頻播放設備上的圖像：通常具有多灰度的顏色顯示能力，可達到多媒體的宣傳廣告效果。其主要特點是：實時性、表現力豐富、操作較為復雜、價格高。同步控制系統通過DVI或HDMI等數字接口與PC機的顯卡及他具有數字視頻接口的播放設備連接獲取需要顯示的圖像信息。DVI接口，最高輸出分辨率可達1920×1080@60Hz，色彩深度為8bit。HDMI接口與DVI接口采用相同的傳輸技術，因此HDMI接口可以兼容DVI接口。除了DVI接口現有的性能外，HDMI接口還支持音頻傳輸和更高14bit的色彩深度。

目前控制系統主要有以下幾種方式。

(1)以單片機為控制器的LED顯示屏，因為受到單片機運算速度及通信速率的限制，動態顯示的刷新率不可能太高，對顯示效果和移動算法的處理也比較吃力，實際顯示效果有明顯的閃爍感，以單片機為控制器的條屏目前仍是單色屏市場的主流。

(2)以ARM為控制器的LED顯示屏，因為ARM有著很高的指令效率和時鐘頻率，因此其運算能力很強大，內部資源也十分豐富，在條屏運用中，能用ARM來實現花樣繁多的顯示方式。 ARM與FPGA的組合功能強大，除了海量存儲技術、無線更新技術，還能實時顯示視頻信號。因此，常用ARM作為異步全彩屏的控制器。

(3)以FPGA為控制器的LED顯示屏，因為FPGA是高速，并行的可編程邏輯器件，用它作為控制器能夠高速地處理PWM信號、完成動態掃描邏輯及完成字符移動算法。因此被廣泛用于全彩色LED顯示屏系統，成為同步全彩色LED控制系統的主流。以下主要介紹同步全彩色LED顯示屏控制系統。

二、全彩LED顯示屏控制系統技術

(一)系統構架

通常LED顯示屏因驅動級聯的方式不同，可分為串行式架構和總分式架構。

(1)串行式構架。

串行式架構主要包括發送卡和接收掃描卡兩大板塊。其中，發送卡在LED顯示控制系統中，通常處于靠近上位PC機的位置，其主要功能是將顯卡輸出的視頻信號進行分割和組合，然后分批發送給接收掃描卡;接收掃描卡的輸入和發送卡的輸出直接連接，主要完成的功能是截取發送卡發送的視頻數據流中對應自己的那部分數據，同時將其余的數據轉發給下一塊接收掃描卡，依次級聯。接收掃描卡將截取到的數據驅動到LED控制燈板上，就可以表現出需要顯示的效果。

串行式架構中各板卡之間通常采用千兆以太網技術進行連接，網絡拓撲結構為總線型結構，此結構的優點是布線簡單，操作靈活，不過由于板卡間均采用千兆網連接，成本偏高，同時總線型的結構如果拓撲太長，則會導致圖像同步出現問題，會有很嚴重的閃爍感。

(2)總分式構架。

總分式構架是在串行式構架的基礎上發展起來的，這種構架將原本的接收掃描卡拆分為接收卡和掃描卡兩大板塊，與串行式構架相比，分離開的接收卡是信息匯集的樞紐，它可以拓撲多條視頻總線，將單一的總線型拓撲結構改造成樹形拓撲結構。

總分式構架中各板卡之間的有多種傳輸方式。例如LVDS，百兆網，或千兆網。其中LVDS成本最低，不過穩定性和靈活性都比百兆網和千兆網要差一些，百兆網成本和穩定性都位于中等，而千兆網的靈活性雖然最高，不過也會付出成本上的代價。雖然總分式構架在靈活性上不如串行式構架，不過總分式可以很好的解決高分辨率圖像的視頻同步，在顯示屏分辨率越來越高的今天，總分式結構越來越受到大家的青睞。

(二)視頻數據傳輸

發送卡的傳輸面積總要受到傳輸介質帶寬的限制。例如對于1Gbps的千兆網，理論上能傳輸1280×512@60Hz的視頻數據，不過實際上由于傳輸不可避免的同步控制，通常控制面積會小于等于這個數值。目前市面上主要的數據傳輸方式有以下三種：光纖傳輸、網絡傳輸和LVDS差分傳輸。

(1)光纖。

最理想的傳輸介質，帶寬最高，可以做到單口2Gbps的帶寬，同時因為采用光纖作為傳輸介質，可以有效地避免屏體后方各種電磁輻射帶來的干擾。光纖的傳輸距離可達公里級，而一般的千兆網只能傳輸100多米。

(2)千兆網、百兆網。

千兆網的帶寬為1Gbps，百兆網有多種速率，125Mbps或250Mbps等等，千兆網和百兆網的原理基本相同，均采用8B/10B編碼的串行傳輸方式，傳輸介質為雙絞線。由于采用金屬電纜作為傳輸介質，相比光纖，容易受到屏體的電磁輻射影響，傳輸沒有光纖可靠，不過在成本上，千兆網和百兆網要比光纖要低。

(3)LVDS 低壓差分信號。

LVDS采用FPGA內部固化的IOB，實現FPGA和FPGA之間的直接連接，相比千兆網，省去了網絡變壓器和網絡物理層芯片，因此LVDS的成本比光纖或千兆網低。不過，在追求成本方案的同時，LVDS也有很多問題。例如穩定性，傳輸距離和傳輸速度，都要比千兆網低得多，協議需要定制，協議復雜且實現難度較高。

(三)灰度等級控制精度和刷新率

灰度等級控制精度和刷新率是LED顯示屏顯示效果最主要的指標。灰度等級控制精度是指顯示屏在同一級亮度中，從零灰度到最高灰度之間的等級;刷新率是指顯示屏每秒鐘顯示數據被重復的次數。很顯然，灰度等級控制精度和刷新率越高，顯示效果越好，尤其是在顯示低亮度圖像的情況下。

目前，市面上普遍使用的灰度等級控制精度有8bit到16bit不等，刷新率從60赫茲到上千赫茲不等，根據不同的顯示屏設置不同。

當然，在控制面積不變的基礎上，做控制系統的研發人員都在為提高這兩個指標而不懈努力，以達到完美的顯示效果。

(四)逐點校正技術

顯示屏出廠前，顯示屏各燈發光參數的不一致性要求控制系統必須具有逐點校正的能力，加入校正功能后能夠使顯示屏錦上添花。當然，如果顯示屏選用的管芯太差，那也只能起到雪中送炭的作用了。

LED顯示屏在其經過一定的使用周期后，LED器件衰減特性引起顯示質量下降，采用現場校調處理技術，每經過一定使用周期采集顯示屏各基色參數變化信息，對顯示屏進行一致化校正處理，使顯示屏清晰、均勻、色彩鮮艷如初，白場完美。現場校正技術快速、便捷，可以保證顯示屏在整個壽命周期內始終運行在高畫質的顯示狀態。這就更要求顯示屏控制系統必須具有逐點校正的能力。

目前，國內自主研發亮度逐點校正的廠家屈指可數，而自主研發亮度、色度逐點校正的廠家就更少了。由于逐點亮度、色度校正的需要，在相應的控制系統中必須有亮度、色度控制硬件才能實現相應的亮度、色度校正功能。

校正功能的實現勢必消耗一定的邏輯資源，同時也造成了設計難度的增加，因此，如何采用合理而又節省資源的設計方法，是LED行業目前重點研究的課題之一。

(五)環境監測

隨著用戶的要求越來越多，也是出于對顯示屏的安全正確使用，環境檢測系統越來越受到人們的重視，尤其是對戶外顯示屏。環境監測主要包括監測顯示屏內部的溫度、環境光的亮度、環境的濕度、顯示屏內部的煙霧等，同時監控室內也需要實時監控顯示屏播放的內容。

監測顯示屏內部的溫度主要是為了確保顯示屏處于一個安全的工作溫度，當顯示屏的溫度過高時必須采取措施，比如說打開空調、風機，或者降低顯示屏的亮度，否則顯示屏將會處于一種非正常溫度的工作范圍，有損顯示屏的使用壽命。

監測環境光的亮度是為了在不同的環境光下合理的調節顯示屏的亮度，以使顯示屏的發光亮度最適合人們觀看，也起到了節能減排的目的。

環境的濕度是為了確保顯示屏在一個合理的濕度范圍內工作，尤其是在顯示屏上電之前，必須先檢測濕度是否達標，如果不達標，應該先用風機將干燥的空氣吹入屏體內部，當濕度降低時才能夠開屏，否則容易造成危險。

煙霧檢測主要是為了在顯示屏出現火災的情況下，馬上切斷電源并報警。

屏幕監控主要是客戶為了實時監控顯示內容，當屏幕出現故障時，便于做到及時維護。

三、LED顯示屏控制系統發展趨勢探討

進入21世紀，LED電子顯示屏的顯示向更高亮度、更高耐氣候性、更高的發光均勻比、更高的可靠性、全色化、多媒體的方向發展，系統的運行，操作與維護也向集成化、網絡化、智能化方向發展。21世紀的顯示技術將是平板顯示的時代，顯示屏作為平板顯示的主導產品之一將有更大的發展。具體表現在以下幾方面。

(一)高亮度、全彩化

藍色及綠色超高亮度LED 產品出現以來，成本逐年快速降低，使LED 全彩色顯示屏產品成本下降，推廣速度加快。同時，隨著控制技術的發展和屏幕穩定性的提高，全彩色LED 大屏將是LED 顯示屏的發展方向。

(二)節能環保

通過監控等智能設計，讓顯示屏的能耗始終處于一個合理的運行范圍，達到節能減排的目的。

(三)中央控制

將各地的顯示屏通過一個中央控制室控制和監控，節省人力成本，便于管理和維護。

(四)低成本、高性能、高穩定性

通過不斷的技術創新和研究，將LED顯示屏控制系統的整體性能和穩定性做好，并且同時考慮成本的降低。

(五)脫機控制

LED顯示屏發展到今已逐步走入民用化，如各種店面用的門頭屏、室內外的各種方形屏和其他的各種條型屏等。目前要配顯示屏必須要配接一臺電腦來更新內容，這使得很大一部分用戶特別是廣告用戶更新節目困難。脫機控制系統將會配合中央控制在廣告領域迅速崛起。

四、結束語

LED 大屏幕的設計制造和應用水平日益提高，LED 顯示屏經歷了從單色、雙色圖文顯示屏，到圖像顯示屏，一直到今天的全彩色視頻顯示屏的發展過程。圖像顯示方面越來越細膩，控制越來越人性化，相信隨著技術的發展，LED 顯示屏的市場日益壯大成熟，LED 顯示技術產業也必將得到越來越多的關注。