利亚德系统设计方案.docx

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利亚德系统设计方案

系统设计方案

A、系统设计及工作原理

【1】综述

本项目为室外 256 级灰度 LED 全彩色显示屏系统，其基本组成如下：

（1） 系统组成

⏹TP22（像素共享）全彩色显示约 160m2，壹块。

⏹计算机+UPS

⏹软件

⏹配电框

⏹结构、边框

（2） 环境适应性要求

⏹能在气温大于 35℃的环境下连续正常工作

⏹空气湿度大于 83%时，内部不结露、且能正常工作

⏹显示屏内部电路器件均作“三防（防尘、防潮、防腐）”处理；钢结构

外刷防锈漆，因此盐雾不会腐蚀显示屏

⏹昆虫及霉菌在显示屏内不能生存

⏹显示屏钢结构及边框装饰为防水结构设计

⏹按照 8 度抗震设防烈度进行钢结构设计

【2】系统功能

从技术等级上讲，室外 LED 大屏幕显示系统是一个集计算机网络技术、多

媒体视频控制技术和超大规模集成电路综合应用技术于一体的大型的电子信息

显示系统，具有多媒体、多途径、可实时传送的高速通信数据接口和视频接口。

计算机网络技术的使用使显示制作、处理、存储和传输更加安全、迅速、可靠。

采用网络系统控制技术，可以和计算机网络联网。

制造商在系统中使用了 PLC 控制技术，实现对系统配电和使用环境完全自

动化的监控，使系统更趋于现代化，使用更加方便、安全、可靠。

制造商在系统中使用了视、音频控制技术，可以对各种不同的视频和音频信号

源的输入进行统一控制和管理。

（1） 视频播出方式

通过多媒体视频控制技术和 VGA 同步技术，可以方便地将多种形式的视频

信息源引入计算机网络系统，如广播电视和卫星电视信号、摄像视频信号、录

像机 VCD 视频信号、计算机动画信息等，因而可以实现下列功能：

⏹支持 VGA 显示，显示各种计算机信息、图形、图像

⏹支持各种输入方式

⏹实时显示真彩色视频图像，实现现场转播

⏹转播广播电视、卫星电视及有线电视信号

⏹电视、摄像、影碟等视频信号的即时播放（VCR、VCD、DVD、LD）

⏹支持 PAL、NTSC 等各种制式

⏹具有电视画面上叠加文字信息，全景、特写、慢镜头、特技等效果的实

进编辑和播放（需另外配置非线性编辑设备）

⏹具有同时播放左右不同比例的画面及文字的功能

⏹可满足文艺表演的使用要求

（2） 计算机播出方式

⏹图文特技显示功能：

具有对图文进行编辑、缩放、流动、动画功能

⏹显示各种计算机信息、图形、图像及 2、3 维动画并叠加文字

⏹播出系统配有多媒体软件，可以灵活输入及播出多种信息

⏹有多种中文字体和字型可供选择，同时还可输入英文、西班牙文、法文、

德文、希腊文、俄文、日文等多种文字

⏹有多种播出方式，如：

单/多行平移、单/多行上/下移、左/右拉、上/

下拉、旋转、无极缩放等

⏹主要时新闻的编辑与播放，并有多种字体供选择

⏹重要通告的即时发布

⏹广告信息的播放等

（3） 网络功能

⏹配有标准网络接口，可与其它标准网络连网（信息查询系统、市政宣传

网系统等）

⏹采集播出各数据库实时数据，实现远程网络控制

⏹通过网络系统可以进入 Internet 网

⏹具有声音接口，可接入音频设备，达到声像同步

【3】系统组成及特点

从项目结构的特点出发，本工程大致可分为以下几个子项目：

⏹LED 显示屏

⏹计算机网络系统

⏹视、音频控制系统

⏹配电控制系统

（1） LED 显示屏

LED 视频显示屏由屏幕控制机、视频处理和控制单元、通讯模块、数据分

配和扫描单元、显示屏幕等组成。

图片

显示系统基本原理图

⏹屏幕控制机

屏幕控制机控制其对应的显示屏显示效果。

它可以自动运行一个不断循环

的程序，根据给定的节目单去服务取得相应的显示数据，也可以人工干预，产

生屏幕上的显示效果。

屏幕上像素和屏幕控制机显示器相应区域上的像素——

对应，直接映射。

通过屏幕控制机可以手动调节显示屏的亮度，选择适合当前环境的灰度非

线性校正数据，屏幕控制机也可以通过网络系统根据环境亮度自动调节显示屏

亮度和选择不同的灰度非线性校正数据。

通过屏幕控制机可以调节图像显示的对比度、色度等。

屏幕控制机将要显

示的信息传送到视频处理和控制单元进行视频处理。

⏹视频处理和控制单元

视频处理和控制单元完成显示数据的图像处理，这些处理包括：

●第二级灰度非线性校正，可以自动或手动调节

●自动或手动无级亮度调节

●灰度级控制系统可以控制显示屏显示每基色各 8 位的 24 位数据，

即各基色 256级灰度。

●图像降噪处理：

保证图像更加干净和平滑

●图像增强技术，图像边缘增强技术

●运动补偿技术

●色坐标空间变换技术

●色度调节功能

●视觉处理：

在系统中，可以分别调整单个模组每基色的亮度，调整

色平衡，基本消除马赛克现像，所以模组和显示模块亮度一致性好，

单色显示无视觉差。

●白平衡处理等

视频处理和控制单元将处理好的显示信息传送到通信模块以便长距离传送

到显示屏上。

⏹通信模块

通信模块保证屏幕控制机的显示内容准确无误地长距离传输显示屏上。

通

信模块对舆的信息进行编码处理，进行长距离传输和接收数据处理。

通信模块

将显示信息传送到数据分配和扫描单元上。

⏹数据分配和扫描单元

数据分配和扫描单元是模块化结构设计，它将显示数据按区域分配到显示

屏上，并完成显示数据扫描。

⏹显示屏

显示屏是有许多显示模组组成，它们分成不同的区域接受数据分配和扫描

单元传来的显示数据，以模块化结构显示。

保证系统安全可靠运行。

每一个模组有独立的排风系统，保证模组内间温度一致，保证白平衡。

模块化

结构设计，整个显示屏是由许多个单元模组组成，方便安装、调试和维修。

系

统所使用的开关电源均使用通过国际安全认证的台湾 MeanWell 电源，屏幕背

后保留有维修空间，方便屏幕的安装调试，以及日后的维修维护等操作。

在显

示背后安装安装有烟探测传感系统，探头均匀安装在屏幕背后，当有烟雾出现

时，系统会及时报警，配电系统会及时切断供电电源，保证系统安全。

在显示

屏背后安装有温、湿度探测传感系统，探头均匀分布在屏幕背后，为了保证系

统寿命和显示效果，当温度或温度高于某值时，控制系统将采取措施，如开启

空调、排风扇，以调节显示屏工作温度及湿度，有效地延长显示系统的使用寿

命。

当持续高温或湿度过高时，将报警并自动关闭显示屏。

在显示屏正面安装有亮度探测传感系统，它将当前采集的亮度值定时传送

到控制计算机，控制计算机根据当前环境亮度值和播放的内容调整显示屏的亮

度和非线性灰度校正数据，以达到最佳观看效果。

⏹计算机网络系统

本项目设计采用系统集成的思维方式来规划整个 LED 显示系统。

屏幕控制系统采用开放的计算机局域网络技术，能够将当今许多成熟的数

字技术引入大屏幕显示系统，如数据库技术、网络通讯技术、网络互联技术、

信息自动化处理技术、接口技术、多媒体技术。

网络互联技术可以和未来的网络系统相连，包括局域网和广域网等。

采用网络系统控制，可以保证全彩色和双基色显示系统具有独立播放的功

能，又具有同时同步播放同一内容或不同内容。

通过多媒体视频控制技术，可以方便地将多种形式的视频信息源引入计算

机网络系统，如广播电视和卫星电视信号、摄像视频信号、录像机 VCD 视频

信号、计算机动画信息等，因而可以实现下列功能：

●实时显示真彩色视频图像，实现现场转播

●转播广播电视及卫星电视

●电视、摄像、影碟等视频信号的即时播放

●电视画面上叠加文字信息，全景、特写、慢镜头、特技等效果的实时编

辑和播放（需另加非线性编辑系统）

●具有同时播放左右不同比例的画面及文字的功能

（3）视、音频控制系统

LED 大屏幕显示系统具有多种视频、音频输入和 4 个视音频输出。

8 个输

入分别接 8 个不同的视、音频源节目。

两个视频输出接至两个屏幕控制机，一

个音频输出接至音响系统，视、音频信号同步播放。

视音频切换矩阵由系统控

制，操作员通过控制系统选择不同的视频、音频节目。

也可以对播放的节目顺

序进行编排。

（4）配电控制系统

利用工业 PLC 控制技术和网络数据通讯技术，可使电力的开关与控制实现

集中指挥，分散局部控制。

采用这种控制方式操作员可在网络工作站上向屏幕

系统下达开关指令信号，控制屏幕电源的开关。

如果供电系统发生故障，各状

态信号也能返送网络系统，操作员通过网络可监视电路工作情况。

另外，配电系统设计采用双电源互为备份控制方式，当其中一组供电电压低于

阀值（如 185 伏）时，配电系统将及时切换至另外一组供电电源，不会影响系

统的正常运行。

PLC 系统能及时将配电故障信息通报给系统操作员，以便及时

处理故障。

概括性的讲，该配电系统的主要特点：

⏹三相五线制供电

⏹将采用一根独立于保护地的信号地线，供集散控制系统 PLC 和网络设备使

用。

⏹配电柜由一台 PLC 控制。

他们分步将显示屏幕开通，以抑制开关电源启动

时的冲击电流。

⏹PLC 接收网络控制工作站发来的指令信号，产生各种动作逻辑，并且能够

将各主要触点的故障信息返送回网络系统，以便网络系统实施对供电回控

制和监测。

⏹配电柜设计采用双电源互为备份控制方式

⏹配电柜中配备检修时的断路装置和手动开关装置

⏹配电柜配备过流、短路、断路、过压、欠压、温度过高等保护措施，也配

备相应的故障指示装置。

⏹网络供电保护设备 UPS 断电供电时间至少二十钟，以便发生电力故障时，

有足够的时间让系统操作员执行正确的处理动作。

配电设计采用三相配平

衡方案，保证零线学习漏电流为零。

配电系统要求提供的两组电源均采用三相五线制供电，保护地线对大

地的电阻小于 4 欧姆。

另外需要使用一个独立于保护地的信号地，供网络系统和集散控制系

统使用。

电网防雷依靠本身配电系统解决。

从目前防直击雷器件的使用情况看，避雷针、网带、法拉第笼防止建

筑物遭直击雷侵害效果较好。

但在引雷落的过程中，雷电流留在周围产生

的电磁场对电子设备有很大的破坏作用，为此制造商采用专用避雷设备对

供电线路及信号线路进行保护，可以防止感应雷击对显示屏电子设备的影

响及破坏，当雷击发生的瞬间，避雷设备能快速对地放电，将强大的电流

引入大地，从而保障 LED 显示屏体及其附属设备万无一失。

在承接此类显示屏项目的过程中，制造商将依据如下电气规范进行电

气专业的技术设计，并依此指导工程施工的各个环节。

⏹JDJ16-83《建筑电气设计技术规程》

⏹JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》

⏹GBJ16-87《建筑设计防火规范》

⏹GBJ232-82《电气装置安装工程施工及验收规范》

⏹GB1245-87 《电气装置件暗装用、调整板和接线盒》

⏹GB50169-92 《电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范》

⏹GB50174-93 《计算机机房设计规范》

⏹GB50054-95《低压配电设计规范》

⏹CECS72：

97 《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》

⏹DBJ08-47-95 《智能建筑设计标准》

配电系统上安装有 PLC 控制系统，计算机系统通过 PLC 系统对显示屏完

成分步上电，并且及时将系统用电的当前情况和故障信息通报给系统操作员，

以便及时处理。

传感系统所采集到的供电情况、烟雾、温度、环境亮度等数据也通过 PLC

系统传输到计算机网络系统。

【4】系统控制原理

系统组成原理图

计算机网络系统各部分的功能简述如下：

⏹服务器

服务器是 LED 屏幕系统局域网的数据中心和文件中心，其上存放着各种信

息数据和显示指令数据，向网络上其他工作站提供文件服务和数据共享服务。

工作站和工作站之间数据的交换也是经由服务器实现的。

和其他网络系统如裁

判系统等的是通过服务器实现。

由于该部分对整个局域网至关重要，因此采用

服务器热备份方案。

⏹屏幕控制机

屏幕控制机控制其对应的显示屏的显示效果。

它可以自动运行一个不断循

环的程序，根据给定的节目单去服务器上取得相关的显示数据，也可以人工干

预，产生屏幕上的显示效果。

屏幕上像素——对应，直接映射。

⏹系统控制机

操作员可以通过系统控制机控制显示屏电源开关，并且实时监控显示屏出

现的各种故障，如过压、欠压、过流、漏电、温度、烟雾等。

另外操作员还可

以通过系统控制机控制视频切换矩阵，用来选择不同的视频源节目。

⏹节目制作非线性编辑系统（WS3）（推荐配置）

该工作站用来制作计算机动画、文字，录入静止图片，并将这些数据存放

到服务器上，供其他工作站共享使用。

具有字幕机功能，具有节目编辑功能，

可能在视频画面上叠加文字信息，可以完成全景、特写、慢镜头、特技等效果

的实时编辑和播放，可以对播出的视频信号进行非线性编辑。

【5】关健技术

（1） 多媒体控制技术

多媒体控制技术将模拟 Video 信号和 Audio 信号转换成可以供计算机处理

的数字信号，以完成数字化处理。

多媒体控制技术通过 A/D 采集技术将模拟视

频 Video 信号和模拟视频 VGA 信号转换成数字信号，进行同步运算处理以后，

经过叠加后送显示屏显示。

屏幕控制机上装有多媒体卡，可将多种 Video 视频源引入到大屏幕之上，

如播放电视实况、录像影碟节目、卫星电视节目、有线电视节目、摄像机节目、

播放系统能播放动画、图形、文字及其迭加、以及多种混合效果。

通过多媒体控制技术，可以对屏幕的亮度、对比度和色饱合度进行调整以保证

显示屏的观看效果，任意压缩或切割 Video 显示区域以适应显示屏大小，可以

任意调整显示区域。

输入的视频信号可以是 PAL 或 NTSC。

（2） 视频处理技术

⏹2 级非线性校正

为了更加适合 LED 显示屏的显示特性，本制造商采用图像处理技术对视频

信号进行了控制和处理。

视频灰度非线性校正是人眼能舒适地观看显示屏的关健。

无论是在电视机、

计算机监视器和其它任何显示设备中，几乎都需要使用该技术，这是由人眼的

视觉特性决定的。

没有经灰度校正的 LED 屏，会显得显示生硬、层次感差，看起来很不舒服，

长时间观看甚至会对人眼造成伤害；只有经灰度校正后的 LED 显示屏才会显得

纹理清晰，亮度柔和，灰度级过渡平缓。

另外，由于 LED 本身的发光特性和电视机、计算机监视器（CRT）的发

光特性不一样，简单地将在 CRT 上应用的非线性校正算法和反校正算法直

接应用到 LED 显示屏上是十分科学的，会严重影响 LED 显示屏的图像质量，

使观看效果更差。

从常识可知，当电视在阳光充足的环境中的观看效果没有在阳光的环境中

观看舒适，这是由于在环境不同时，简单的灰度校正是无法满足人眼需求的，

同样 LED 显示屏更是如此，由于用户不可能随便的移动设备，因此必须使

LED 显示屏在各种环境下均能舒适地观看。

在各种环境下的正常显示体现一个

公司较高的设计水平。

为了保证显示效果，对显示图像进行了两级灰度非线性校正。

●第一级灰度非线性校正

由目前对人眼的视觉特性研究可知如下原理：

人眼的主观亮度与光强为非

线性关系。

人眼在环境亮度较低时，对比度的响应比在高亮度环境中敏锐；有

背景光时，对比灵敏度与光强的线性关系范围大大减小：

为了保证显示效果，

制造商和国内、国外的著名公司如日本富士通、美国 TI 公司等进行了广泛的技

术合作和交流，通过大量实验，克服了别的公司的同类产品的缺陷，设计并实

现了更适合 LED 显示屏显示效果的非线性灰度校正算法，并且在 Pro 型超大规

模集成电路中得以实现。

超大规模集成电路 Pro 型具有独特的非线型灰度校正技术，从近万个灰度

数据中非线性选择 256 个灰度数据供显示用。

●第二级非线性校正

为了保证不同观看环境的显示效果，如白天、夜晚、阴雨天等，制造商设计

并实现了第二级非线性校正技术，其中每基色各有 8 条非线性校正数据，可以

选择不同的非线性校正数据以适应不同的观看环境。

⏹色座标空间变换

从色度图上能看到，视频源的色空间三角形与 LED 发光二极管的色空间三

角形是不同的。

好在 LED 的色空间大于并包含了视频源的色空间，但问题是如

果不对视频源输出的红绿蓝色坐标信号进行适当的调整（色坐标空间变换）

LED 显示屏上反映出的色彩便不是视频源色彩的真实对应，原本应发白色光时

有可能会发粉红色或发生其它色偏现象。

为克服以上问题，制造商在技术上运

用高速图像处理芯片实现了色空间变换技术将视频源色空间上的每一点与 LED

色空间上的每一点一一对应起来，从而使画面色彩更贴近真实。

⏹色温处理

我公司首先完成了从 4500K 至 8500K 的色温调节，配合不同的环境，均

可使显示屏呈现最佳的效果。

针对用户的各种需求，可以很容易地做到无论是

国际光度协会规定的 6500K 的 D65 白色，还是国际光度协会规定的 5500K 的

E 光源白色真实再现。

⏹色彩真实再现

人眼有着奇怪的习惯，当屏幕再现绿色草地时，即使色度有较大偏差，也

不会察觉。

然而当皮肤色有一点点的变化，也会被立刻捕捉到差异。

因此，我

们对人眼最敏感的皮肤色进行了进一步的调整，确保将色彩偏差带给人眼的刺

激降到最低。

⏹边缘增强

采用图像增强技术，使得显示效果更加清晰、逼真，立体感更强烈，色彩

更艳丽。

⏹降噪

LED 显示屏是高亮度显示系统，对显示图像进行降噪处理能保证图像更加

干净和平滑。

⏹对比度处理

对比度是人工重显图像的一个非常关健的技术指标，如果对比度达不到要

求，图像重现的层次感和颜色感无从谈起。

屏幕图像对比度至少要保证不小于

100，才能获得较为满意的视觉效果。

为了获得较高的对比度，制造商采取了下

面两种方法，使对比度达到了 150：

●提高显示屏亮度，这也是提高对比度最主要的方法

●降低屏幕表面的光反射系数。

对于屏幕表面光反射系数的控制，制

造商采用乌光黑色材料和黑色胶水封装像素，并且采用乌光黑色模

组。

●屏幕表面雕刻特殊纹理，使入射光全部被吸收。

⏹亮度调节]

为了保证在白天和夜晚等不同光照度情况下的观看效果及节约电费，制造

商设计显示屏具有高亮度调节功能，PLC 系统采集当前环境照度值，并反馈到

计算机网络，显示系统可以根据不同的环境光照度自动地进行无级亮度调节，

并且具有手动方式调节功能。

⏹单模组自检

显示屏具有单模组自检功能

⏹白平衡控制

保证屏幕白平衡的主要方法是采用发光效率比较高、稳定性比较好的 LED

发光管。

设计中制造商采用色还原度比较好的纯色发光二极管：

日本日亚公司

红、绿、蓝 LED 发光二极管产品。

另外，通过 PLC 控制系统可以对显示屏体

的温度进行监控。

当显示屏体内的温度超过一定范围，以至 LED 发光管的发光

波长产生偏移，影响到显示屏白平衡时，PLC 控制系统采取措施，例如开启空

调和排风扇、适当降低显示屏亮度等，保证显示屏体温度在一个合理的范围内，

不影响显示屏的白平衡，有效保证显示屏的寿命。

⏹帧同步

显示屏图像采用完全的帧同步技术，使图像更加稳定。

通过对输入的每一

帧图像所采用的 LOCKEVENT 技术，确保了同步的真实性，并且对屏幕上所有

像素均衡的帧驱动才使得 LED 显示屏 10 万小时的寿命有真正的意义。

因为如

果采用早期的像素分解，即使可获得一种视觉上的高分辨率，但由于 LED 驱动

的不均衡，除了一段时间后由于 LED 衰减不同所带来的屏幕色彩不匀外，更大

的问题将直接影响屏幕寿命。

⏹运动补偿

视频图像信号由于信息量大，在显示的物体处于快速运动过程中，往往会

有图像变模糊，拖尾和横条等现象。

这种现象一方面会影响观看效果，另一方

面会影响摄像效果。

为此，制造商在 LED 显示屏视频采集后端专门添加了运动

补偿电路。

无论是显示激动人心的体育竞技场面，还是显示美丽宁静的田园风

光，画面都将是清晰稳定的。

⏹静态网格

在对视频图像处理上，我们使用了运动补偿技术以确保消除高速图像时所

产生的拉毛、锯齿边现象。

而静态网络技术更使得静态图像被网络准确捕获，

更稳定地输出。

这两项技术的采用使输出图像在专业级的概念上超过了电视显

示的效果。

⏹逐行扫描补偿技术

由于现在的电视信号多为隔行扫描，普通画面的单数行和双数行内容并非

完全一致，画面中常有横向纹理。

运用实时 DSP 数字信息处理和逐行扫描补偿

技术，能在输入普通电视信号时，达到近似逐行扫描的显示效果，尤其在 LED

显示屏上，由于像素间距大，显示面积大，这种改善非常明显。

⏹高速扫描

由于采用分布式控制，使系统的高速扫描成为可能。

在我们最大限度的提

高扫描频率的情况下，使我们的显示屏不仅仅是人眼，即使是专业的摄像机亦

无法捕捉到帧闪烁，并且可根据用户要求采用逐点检测技术，以实现对显示屏

状态的完全监控。

（3） 超大规模集成电路技术

实现视频显示的传统方法是采用离散的、小规模的集成电路技术。

当系统

要求的性能有了大规模地提高时（如从 16 级灰度提高至 256 级灰度），系统所

使用的离散器件和小规模集成电路的数量将大幅度增加，整个系统的和可维护

性将很难保证。

另外，为保证显示效果需采取的非线性灰度校正措施，随着数

据运算量的增加，也不得不采取更复杂的、更繁多的小规模离散器件，这也将

使系统的可靠性和可维护性更加难以保证。

为解决上述问题，提高显示效果，降低设计难度，保证系统的可靠性和可

维护性，我公司从 1997 年开始进行 LED 显示屏专用超大规模集成电路的设计

工作。

在 1998 年中旬成功地推出了 LED 显示屏专用芯片。

在实现该芯片的功

能基础上，我公司在 2000 年进一步推出了针对 LED 表贴全彩显示屏的 Leyard

Pro 专用集成芯片。

采用国际上先进的集成电路设计工艺。

这一成果极大地提

高了系统的性能。

与前一代产品相比，LeyardPro 专用集成芯片的先进性主要体现在以下几个方

面：

⏹可实现 8192 级显示灰度

⏹当以 256 级灰度显示，并进行无级调节亮度时，灰度无损失。

⏹可任意设置各种 γ 校正曲线。

超大规模集成电路技术和超大规模可编程集成电路的使用极大地提高了系

统的显示性能，简化了系统的设计难度，提高了系统的稳定性和可靠性。

256 级灰度高度集成化视频显示屏显示控制芯片采用集中控制的设计电路，运

用 ASIC 设计的方法完成，极大地提高了 LED 显示屏控制部分的准确性、稳定

性、从而提高 LED 显示屏质量，最大限度的满足 LED 显示屏是半永久性电子

产品这一要求。

控制芯片可提供每个像素点已进行灰度校正的 256 级灰度，极大的提高了

可视的色灰度级别。

灰度校正后的 256 级灰度的 LED 显示屏亮度、色彩过渡平

滑有了很大的改进。

高度集成控制芯片使屏内 LED 显示块采用串行的数据连接方式，有效降低

信号的衰减，确保 LED 显示屏准确的接收、传送、并完成全视频动态显示。

控制芯片利用高集成度，使 LED 显示屏的电路得到极大的简化，电路极其简单，

彻底改变以往 LED 显示屏庞大复杂的电路设计，并且增加了可任意拼接、可带

电插拔等多种使用功能。

这样，生产、安装、维修、升级都变得方便易行。

独特性的设计