LED设计规范.docx

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LED设计规范

第一章 设计的技术特点和标准

一、LED全彩色显示屏技术特点

1）、视频反Υ校正：

因视频信号中已有Υ校正，在CRT管上显示时匹配，但在LED上显示时须进行反Υ校正，使显示画面的各个层次得到完整的反映，细微变化清晰呈现，从而提高画面质量。

2）、人眼生物功能校正：

根据人的视觉特点和LED显示特性，采用一种非线性校正，即在低亮度区级差小，增加级数，逐步到高亮度区时增大级差，造成视觉效果上的“级差一致性”。

3）、白平衡匹配校正：

全彩色显示屏是由红、绿、蓝三种LED发光二极管组成的，当三种管按照亮度比例都点亮时，发出的光应是白光，即白平衡。

这可通过选择LED三种管的参数配合及白平衡校正技术来实现。

4）、环境亮度校正：

因环境亮度是在不断的变化，使屏幕亮度跟随变化。

如当环境亮度增大时，应使屏幕的低亮度区提升，反之亦然。

这样便具有更佳的视觉效果。

5）、视频动态范围扩展：

提高视频动态频带宽度，使在LED显示屏上显示出来的图像更鲜艳、逼真，没有朦胧的感觉。

6）、为了使显示屏最终达到一个较好的显示效果，亮度的均匀性是非常重要的，福光映彩LED显示屏控制软件对单个模组内LED材料本身进行参数测试，经过数据处理后输入到显示屏LED材料参数库，对相应的像素点（或单元板）进行二次数据校正，实现逐点（或单元板）亮度调节，解决LED显示屏亮度不均匀的问题。

7）、嵌入式设计：

福光映彩显示屏采用嵌入式电脑控制，提高了系统的集成度，简化了驱动电路，提高了系统的可靠性。

8）、二级Gamma校正技术：

在控制电路采用一级Gamma校正技术同时，对与发光材料的离散性而产生的不一致或灰度的不准确性，在控制系统中进行第二次Gamma校正。

9）、专业音视频处理系统：

福光映彩显示屏采用独立的音视频处理系统实现对视频信号的处理，从传统的多媒体卡级上升为专业视频信号处理级，首先从信号处理上保证了质量，使得播放高保真的图像信号成为可能。

10）、绿色环保技术：

采用PWM脉宽调制技术以及静态恒流驱动，进一步提高了显示元件的发光效率，具有明显的节能效果。

此外，亮度调节技术的使用也能起到节能的作用。

二、设计和制造的依据的标准

1）     深圳市华远祥科技有限公司检验规范

2）     SJ/T11281-2003LED显示屏检测与分类方法

3）     SJ/T11141-2003LED显示屏通用规范（部颁行业标准）

4）     GB9813-88计算机通讯技术条件

5）     GB4943-95信息技术设备的安全

6）     GB6388-86运输包装收发货标志

7）     GB2421电工电子产品基本环境实验规则总则

8）     GB2422电工电子产品基本环境实验规则名称术语

9）     GB2423.1电工电子产品基本环境实验规则低温实验方法

10）    GB2423.2电工电子产品基本环境实验规则高温实验方法

11）    GB8898-88电源供电的家用和类似一般用途的电子及有关设备的安全要求

12）    GB9366-88计算机站场地安全要求

13）    GBJ65-88工业与民用电力装置的接地设计规范

14）    GBJ79-85工业企业通信接地设计规范

15）    SDJ-98电力设备接地设计技术规程

16）    GB50057-94建筑物防雷设计规范

17）    GB50174-93电子计算机房设计规范

18）    YD5003-94电信专用房屋设计规范

19）    JG/T16-92民用建筑电气设计规范

20）    CCITT蓝皮书K11建议“过电压和过电流防护的原则”

21）    CCITT“通信电路和通信设备的防雷手册”

第二章 显示屏系统功能设计

一、视频显示功能

1）、通过显示卡的DVI（数字视频接口）输出，直接实现VGA与Video的信号转换；

2）、显示屏可执行多窗口显示，窗口位置可任意设定；

3）、各窗口的显示内容均可为不同的文字、图像或时间信息（如世界其它城市时间）；

4）、多种时钟的显示方式，既可由文字表示，也可由软件实现表盘方式表示等。

二、视频播放功能

实时显示彩色视频图像，实时现场转播，转播广播电视及卫星电视；高保真播放录像机、影碟机等视频节目；可定时循环自动播放（只要将显内空、显示方式、信号源可由用户方便任意编排，随时修改，制作好的节目每天开机后全自动播放），播放时既可单步播放，也可随时暂停，并可从暂停处重播，可随时插播任何信息；可在文艺表演时实时转播，或播放背景画面等；具有电视画面上叠加文字信息等功能。

可实现：

1）、多窗口同时播放不同比例的画面及文字；

2）、播放录像机、影碟机（VCD、DVD、LD）等标准视频节目；

3）、播放AVI、MOV、MPEG、DAT、VOB等各种格式的视频图象文件；

4）、通过软件调节亮度、对比度、饱和度、色度；

5）、具有图象降噪、增强及运动补偿功能；

6）、具有重叠（VGA+Video）、影像（Video）、VGA三种显示模式；

7）、具有水平/垂直位置补偿功能。

三、计算机信息功能

1）、采用IPC（嵌入式计算机）控制系统，具有计算机显示终端功能，播放软件集图形、图片、文字、二、三维动画片播放等功能于一体；

2）、各项显示信息可由用户进行自由组合编辑，并支持节目表方式，将常规显示内容进行排列，每一显示内容可单独编辑，可自动定时播放或循环播放、自动切换等，也可由控制中心进行插播干预；

3）、可显示中文（含繁体字）、英文、数字等多种文字和多种字体，并支持其它外文文字的显示，如日文、西班牙文、德文、法文、希腊文、拉丁文、俄文、韩文等外文；有多种字体和字型可供选择，除支持Windows提供的所有文字的字型、字体和图形外，还支持自造字、自造标志图案的显示；对文字可以进行无级放大、缩小、变形等操作；

4）、具有丰富的播放方式，画面和文字播出方式有单行左移、多行上移、左右拉、上下推、旋转、缩小、放大等多种方式，提供画面和文字的滚动、移动、中开、中合、闪烁、淡变、飞动显示、反白、百页窗飘雪等三十不同的显示方式；

  四、系统控制功能

1）、亮度可调：

除256级软件调节外，接收板有8级亮度调节接口，可对显示屏进行手动或自动亮度调节。

2）、可实现风扇的自动开启和关闭，过热的自动保护，并能自动恢复，无需人去维护。

3）、当电源系统发生严重错误时能自动关闭、报警，保证系统运行时的安全性和可靠性。

4）、显示屏的工作电源系统具有远程控制功能，可远程报警和查询电源工作情况，在控制室直接开、关显示屏。

五、现场图象反馈系统

 该系统为我公司特有的方便用户使用的系统。

一般情况下，LED电子显示屏和控制计算机都不在一处，如果没有现场图象反馈系统，操作播放人员无法看到LED电子显示屏，在播放、编排、调试新的节目时无法直观的看到现场的播放情况，需要1人在LED现场观看并用对讲机或电话通知播放调试人员，给使用、维护、保养带来很大的麻烦。

本系统能够把LED电子现场的播放情况直观的反馈到播放控制室，使播放控制人员清楚的看到现场及LED屏的图象，为播放、编排、维修、保养提供了很大的便利。

六、其它功能

1）、通过IPC的标准网络接口（RJ-45）和TCP/IP通讯协议等，提供支持以太网接入功能，既可以实现显示数据的网络采集，又为远程控制提供了条件；可与内部信息网相联，共享网络资源、播出网络信息、接受网络控制；

2）、通过IPC的AUDIO实现音频信号的接入和输出，可实现声音信号和图象信号的同步，并可与现场的广播系统相连接；

3）、通过硬件映射技术实现系统同步控制：

显示屏显示内容与计算机VGA显示输出的关系为像素一一对应，同步显示。

第三章 LED显示屏的系统设计及说明

LED显示屏的控制系统以嵌入式计算机为控制中心，通过视频采集卡接收视频信号，根据编排进行节目编辑及播放视频内容；其它格式文件（文本、图片、动画及视频，如TXT、BMP、JPG、GIF、AVI、MPEG、FLC、TIFFT等等）通过以太网接入，根据编排进行节目编辑及播放。

显示屏的显示内容通过硬件映射技术实现与计算机VGA显示输出同步，即两者的像素一一对应（不论是二、三维动画片、视频及文本，还是局域网传输来的信息），同步显示在LED显示屏上，即见即显；采用DVI显示卡，可获得DVI和VGA两种显示输出，其中的DVI输出可作为显示屏的数据源，所有在显示屏上播出的显示数据信息均从显示卡的DVI输出中直接获取，由屏体控制系统转换为LED显示屏相对应的实时数据，从而实现控制计算机（IPC）到LED屏幕的同步映射。

整个显示屏的控制系统包括：

显示屏体、控制计算机（IPC）、传输单元（视频、以太网、RS232/485/422等接口）、供电单元（包括电源控制）、软件（扫描控制、数据接口、编辑和播出等）、固定框架部分组成。

在设计中考虑到显示屏使用和维护的实际情况，本公司的产品有可以带电插拔、耐静电等特点。

可以通过软件对LED整屏做亮度调节，以适应不同环境的需要，并节约能源。

针对LED驱动电路工作频率高，谐波分量造成的射频干扰问题，采用高档EDA软件对PCB进行设计，保证了设计阶段的EMI插入，严格按照国际标准，在设计时对显示屏做了电磁屏蔽处理；单元板和控制板全部采用表贴器件，4层PCB板的大面积接地，有效解决了电磁辐射与干扰的问题。

LED显示屏系统由控制计算机（IPC）和显示控制单元组成基本的控制系统，由控制单元、显示屏体、信号处理单元、各检测单元、电源模块、框架等部分组成完整的显示屏结构。

   下面对各部分进行说明：

一、工控式计算机（IPC）

工控式计算机（IPC）作为显示屏控制系统的中心，对显示屏工作的可靠性和稳定性起着重要的作用，因此需选用工业控制级的产品。

IPC的主要任务是提供对控制系统的各种支持，如提供对各软件应用的支持、存储显示文件、支持视频采集、支持节目表编辑、提供各种字库支持、提供对各种格式文件支持、联接以太网、提供各种数据的软硬件接口、支持系统检测、支持遥控器接口等等。

IPC的基本配置将根据显示屏的规格有所不同，但是基本组成是类似的：

工业控制级主板（集成声卡、网卡等）、CPU、内存、硬盘等。

IPC的软件平台为Windows2000。

IPC提供的各种I/0：

      1个标准以太网接口（10/100M） RJ-45

      3个串行口  RS/232/485/422可以由软件进行设置

      AudioI/O

      USB

      键盘

      鼠标

      DVI

      VGA

键盘、鼠标、VGA等接口，可用于在显示屏使用现场对显示屏进行检测和调试。

二、视频信号采集卡和显示卡

视频信号采集卡的主要任务是将需要由LED显示屏播出的模拟视频信号转换成数字信号。

采用专业视频多媒体显示卡（128位图形加速器），可以将计算机标准的VGA显示模式和视频信号合成输出。

显示分辨率可以达到1280×1024，并可向下兼容多种显示模式（1024×768、800×600，640×480等）,所配视频管理软件采用了EST边缘增强技术，清晰地再现放大后的图像。

输出1073兆种颜色，可以运行在Windows95/98/2000/XP平台。

显示卡提供两种标准的显示输出：

VGA格式和DVI格式；其中的DVI输出支持LED显示屏数据源的需求，由LED显示屏的扫描控制系统将其还原为图象信号；两种格式的显示输出来自同一显示卡，可以更好的保证LED显示屏与VGA显示器的一一对应关系。

由于全彩色显示屏和双基色显示屏的色彩还原能力的差异，我们在选择视频信号采集卡和显示卡时将区别对待（详见配置与参数）。

三、显示屏体（含框架）

屏体由显示模组（含像素模块和驱动控制板）、单元箱体、开关电源和固定框架组成。

显示屏为模块化结构，若干个显示模组和开关电源固定在一个单元箱体上，显示屏由若干个单元箱体拼装而成，呈积木式堆叠拼装；

1．显示模组

显示模组由若干个像素和驱动控制板组成。

全彩色显示屏每个像素为2红、1纯绿、1纯蓝LED组成，在单色灰度为256级时，可以显示16.7兆种颜色；平均无故障时间大于10000小时，寿命大于十万小时。

福光映彩的显示屏模组驱动电路所有的元器件均采用进口表面贴封装器件,其中关键的LED驱动器件选用台湾聚积公司产品MBI5026，其它IC为MOTOROLA或PHILIPS产品；所有的LED均为恒流驱动,静态扫描设计。

PCB板采用台湾生益一级产品，厚度为1.6mm；LED像素在PCB板上的定位误差小于0.1mm，模组经专用平台进行整理，不平整度小于1mm。

2．单元箱体

单元箱体是拼装显示屏的基本单位，既要保证安装的精度，又要具有可灵活方便进行拼装和拆卸的结构；既要承载精密的电子设备，又必须能够适应环境变化的要求，保证显示屏的散热。

因此单元箱体设计的合理性是保障显示屏正常工作的重要环节。

本公司显示屏的单元箱体采用优质冷轧钢板制造，使用数字化设备进行折弯冲压及激光定位手段加工成型，大大地提高了机械加工精度，箱体加工误差小于±0.2mm；箱体钢件经过酸处理后再进行阳极电泳工艺的表面处理，使箱体内外均有相同的防腐防锈能力；

3．开关电源

显示屏采用常州创联显示屏专用开关电源，在规定的条件下（50Hz±2Hz，220V±15%）具有输出稳定、可靠性高及空载、短路、过热保护等特点。

4．屏体骨架（详细图纸请见附件）

屏体骨架的设计结构如图1所示，我们把它看成由固定架、边框架、维护架三部分构成。

固定架：

屏体正面部分，用于连接和固定显示单元。

边框架：

屏体四周部分，用于支撑屏体、并与固定面连接。

箱体架

边框架

维护架

维护架：

位于屏体内部，用于维护的方便。

骨架是整个显示系统的筋骨，设计施工中我们将把握如下几点：

骨架的刚性

连接强度

连接孔尺寸与位置精度

表面防腐性能

四、显示屏控制单元

显示屏控制单元由本公司自主设计的分布式控制系统，分布式控制系统安装在显示屏屏体部分。

虽然显示屏的工作以计算机为中心进行编辑和控制，但是显示屏的扫描控制系统承担着图象及色彩还原、亮度调整、画面刷新以及各种校正功能等的实现任务，是显示屏极为重要的组成部分。

1．主控系统：

主控系统采用超大规模现场可编程、平台级FPGA芯片，作为控制核心部件。

系统所需的大容量高速SRAM也是采用BGA封装的高可靠性、低功耗、高速芯片，SRAM的结构为双BANK式，其中一个BANK写入时，另外一个BANK读出。

良好的器件封装形式、6层高频PCB工艺，有利于提高控制系统的工作频率和稳定性。

FPGA是采用美国Xilinx公司SpartanIIE系列0.13um工艺的超低功耗工业级器件，器件容量为10万门，在不改变PCB设计的前提下，可采用50万门的同类型器件，为系统以后升级提供技术保证，其工作核心电压仅1.8V，SRAM采用美国ISSI公司的高速低功耗型工业级器件，整个主控制板的功耗小于3.3W，正常工作时所有器件没有明显的温升，达到了工业级的可靠性要求。

主控系统负责接收数据源发送的显示数据，数据接收的可靠性，直接影响到LED显示屏的图像质量和内容的正确性。

其工作频率的高低，也影响到数据源的选取。

高频工作的主控系统，其数据带宽较高，可以接收高刷新率的数字视频图像数据，原始图像的刷新率越高，其图像质量也越好，反应在LED显示屏上的最终图像质量也更好。

主控系统负责接收显示数据，并对显示数据进行反伽马校正。

由于目前大部分数据源的伽马校正都是针对非线性的CRT型显示器件的，而LED显示屏使用的是工作在线性区域的LED元件，因此必须对原始数据进行反伽马校正，以便使得提供给LED显示屏的数据是线性的，达到还原真实色彩的目的。

本公司采用的是LUT查找表的方式对数据源进行反伽马校正的，使用的资源是FPGA内部的LUT资源。

主控系统在完成反伽马校正后，即开始进行数据的整理，将显示数据整理成副控、扫描系统格式化的数据。

根据显示屏模组排列和模组的电路设计，数据整理的工作是：

将数据按照有利于传输和扫描的原则进行格式化排列，这样减少副控和扫描板的数据整理、运算工作，更大幅度的提高扫描频率以及最终的图像刷新率，达到降低副控系统、扫描板器件容量要求即降低系统成本的目的。

主控系统采用美国国家半导体公司3.3V供电的DS90LV031器件，其特性是高速、低功耗，最大传输速率为400Mbps，其传输过程产生的相位偏移为ps级。

对数据链路进行LVDS方式的传输，充分保证了所有数据的传输相位保持同步，保证显示数据的正确性。

2．副控系统

副控系统是安装在显示屏内部的辅助控制系统，副控系统板之间的信号传输也是采用LVDS信号标准，采用同主控系统同类别的低容量器件，管脚排列与主控系统板的器件兼容，可直接升级，达到增加算法、处理方式等升级设计。

副控系统由于传输线路较短，在1米范围内，因此采用了FPGA本身的LVDS信号引脚，进一步降低了成本，增加了信号适配的灵活性。

副控系统接收来自主控或上级副控系统的数据，并将数据写入SRAM，SRAM的结构为双BANK方式，写入和读出互不影响。

在数据读出时，首先将显示数据按照公司自己研发的一套经验数据进行校正，将数据由初始数据的8bit扩展到10bit，采取的技术为LUT查找表方式，使用FPGA内部LUT资源。

经过伽马校正后的数据，就是从1024级理论灰度中选取线性最好的256级灰度！

达到更好的图像、色彩还原能力！

其工作过程是：

A．按照系统定义的每个副控系统负责的显示行数，首先对接收数据进行判别，如果属于本控制范围内的，启动数据写入电路，将数据写入SRAM中的一个BANK，否则将数据输出到副控级联接口，直到复位信号到来全局复位，完成一帧数据的写入。

B．SRAM中读取数据，将数据进行LUT查找，扩展数据的位宽到10位，完成伽马校正。

C．完成伽马校正后的数据进行位分离，以8个像素点的数据为一组，分离出8个8位数据，每个数据代表原始数据的一位，数据经格式化打包。

D．发送电路采用LVDS标准信号，将打包后的格式化数据，发送给扫描板，即每行中的第一块扫描板。

副控版中所有的LVDS信号，都是采用FPGA本身的LVDS引脚，这样系统具有更佳的灵活性。

副控板的功耗很低，全部采用低功耗型工业级器件，供电电压为1.8V和3.3V，整体功耗小于3.3W。

适合长期的不间断工作。

3．扫描板

扫描板完成数据接收、级联发送以及数据读出和扫描工作，灰度的形成最终由扫描板完成。

首先将副控或上级扫描板发送过来的数据，经显示数据位置判别后，确定写入SRAM还是直接输出到级联输出接口，工作状态的转换由副控发出的复位信号决定。

为更好的提高扫描频率，同时降低对模组设计的难度以及成本的综合控制，要完全达到256级别的灰度等级，必须采用适当高的数据移位时钟频率，模组间不能级联，否则由于模组显示过程中电源电流的高速变化，会通过电源引起EMI干扰，进而对以为是中产生畸变，扫描数据统一为始终不能完全同步，灰度的形成受到干扰，甚至不能形成图像。

本公司设计的扫描板，其结构是8爪鱼方式。

所有模组间没有信号连接，减少了模组间的信号串扰。

一个扫描板对应较少的显示模组。

这种结构可大幅度提高移位时钟的频率，从而对灰度的形成和提高图像刷新率提供可靠的技术保障。

在移位时钟的选取上，确保20MHz的工作频率不发生图像的干扰现象，良好的模组PCB设计能够达到驱动芯片的极限----25MHz。

当选择20MHz移位时钟频率产生1024级图像灰度时，图像刷新率为150Hz，即数据源的2倍以上，完成每场数据扫描2次，保证了显示屏的亮度损失最小；灰度等级分明线性好；没有令人眼疲劳的图像闪烁现象。

4．亮度调节和二次伽马（Υ）校正

扫描板的工作还包括了LED显示模组初始化参数的设定。

LED灯、驱动芯片等元器件之间存在参数的离散现象，比如：

LED灯的亮度在同档次中存在亮度差别，即同样的驱动电流，其发光强度不同；驱动IC之间、同一片驱动IC的不同管脚之间也存在参数的离散，这样使得LED显示屏的亮度也呈现离散化现象，为解决这种离散现象产生的亮度不均匀，除了对LED进行进一步的细化分选外，还需要对显示模组进行的控制参数进行初始化，即进行二次伽马校正，这样保证了模组间的亮度一致性，使得整屏显示均匀，色彩、白平衡平滑过渡，最大限度的减少马赛克现象。

借助对LED像素和显示模组初始化参数的设定的方式可以实现对单像素和显示模组的灰度参数进行设定。

单元箱体在出厂前，可以预先校正所有点的亮度偏差，可以调整单元板间亮度和色彩偏差；在使用一段时间后，还可以通过对亮度和色彩进行二次调整，方便地解决又LED亮度衰减可能出现的色彩和亮度偏差问题。

采用PWM脉宽调制技术对控制显示屏亮度，在不损失灰度等级的前提下，可对LED显示屏的整体亮度进行调整，实现128级的亮度调节；同时可提高LED的发光效率，降低显示屏的能耗。

五、电源控制单元和配电

显示屏工作使用220V50Hz交流电源（在有条件时可考虑使用三相五线供电），经稳压开关电源提供屏体和控制系统的直流供电。

本案的电源系统具有以下特点：

1）、显示屏的工作电源系统具有远程控制功能，可远程报警和查询电源工作情况，在控制室直接开、关显示屏。

2）、具有短路、断路、过流、过压、欠压以及漏电等多种保护功能，可自动处理各种应急情况，具备功率因素补偿功能。

3）、有定时自动开关屏的功能，可实现无人留守，具有多路输出和延时上电的功能。

4）、可实现风扇的自动开启和关闭，过热的自动保护，并能自动恢复，无需人去维护。

5）、当电源系统发生严重错误时能自动关闭、报警，保证系统运行时的安全性和可靠性。

配电单元的配电箱均采用国外知名品牌（如三菱、日立、OBO等）的低压电器，具有过流、短路、断路、过压、欠压以及漏电、防雷等保护措施。

屏体的配电箱内主要设备为空气开关（总开关）、汇流排、配电继电器、电源防雷、保护接地和漏电保护地等。

当系统运行时出现有电气短路、过流（过载）、漏电等情况时，漏电保护断路器可以切断电源，保护人员和显示屏的安全；当供电出现过压、欠压、断路、以及浪涌情况时开关电源具有保护措施。

采用了电源控制模块，当系统发生严重错误时能自动关闭、报警，保证系统运行时的安全性和可靠性。

通过此模块还可方便的实现对显示屏的定时开关机和远程控制开关机。

六、软件

1．操作系统

采用Windows2000/WindowsXP更高操作系统（简体中文版）作为所有应用软件的操作平台，且界面友好、操作简单、易学易用。

2．显示屏管理和播放软件：

LEDSHOW（简体中文版）

显示屏的管理（包括自动化控制软件、远程通讯软件、显示屏设置软件）和播放、编辑软件采用自主研发的多媒体播放软件LEDSHOW。

LEDSHOW将显示屏的管理和播放集成于一体，支持视频、动画、文本及Windows支持的所有格式文件的显示播放；所有播放内容与计算机显示器同步，所见即所得；LEDSHOW为全中文界面并全面兼容Windows操作平台，无须特殊软件支持。

（1）管理功能

将计算机VGA显示器定义为若干个界面，主显示区、子显示区、内显示区以及播放编辑区、功能选择区（菜单）和显示屏工作状态显示区；主显示区和子显示区的左上角与VGA显示器的0,0坐标（左上角）的像素重合，内显示区无内容时，子显示区被主显示区覆盖；内显示区有播出信息时，子显示区出现与内显示区相同的内容；由于VGA显示器与LED显示屏的像素一一对应关系，上述画