一、工作原理

LED大屏開合屏的工作原理主要依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子控制系統(tǒng)的結(jié)合。其核心在于采用特殊的鉸鏈設(shè)計(jì)，使得屏幕能夠在需要時(shí)進(jìn)行折疊或展開。當(dāng)不需要全屏顯示時(shí)，屏幕可以向內(nèi)折疊，從而節(jié)省空間并方便運(yùn)輸和存儲(chǔ);而在需要進(jìn)行全屏顯示時(shí)，則可以輕松展開至最大面積，實(shí)現(xiàn)震撼的視覺效果。此外，為了保證開合過程中的畫面連貫性和穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整圖像信號(hào)，確保每個(gè)部分的LED都能同步顯示正確的內(nèi)容。

二、技術(shù)特點(diǎn)

1. 靈活性：可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整屏幕大小和形狀。

2. 便攜性：便于搬運(yùn)和安裝，適用于各種場(chǎng)合。

3. 高效空間利用率：折疊狀態(tài)下占用更小的空間，展開后又能迅速提供大面積顯示區(qū)域。

4. 無(wú)縫拼接：通過精密的設(shè)計(jì)和制造工藝，確保開合過程中畫面過渡自然無(wú)損。

隨著平板顯示技術(shù)的不斷更新，大型LED顯示系統(tǒng)利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成大面積顯示屏，主要顯示字符、圖像等信息，具有低功耗、低成本、高亮度、長(zhǎng)壽命、寬視角等優(yōu)點(diǎn)。近年來廣泛應(yīng)用在證券交易所、車站機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館、道路交通、廣告媒體等場(chǎng)所。

對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高、數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合下，可編程邏輯器件是首選的核心數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)考慮對(duì)于傳輸視頻數(shù)據(jù)大小和驅(qū)動(dòng)LED大屏幕刷新頻率的要求，LED發(fā)送卡、接收卡均采用FPGA作為核心處理器，筆者選擇Xilinx公司基于90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256，內(nèi)有25萬(wàn)邏輯門，最高頻率可以達(dá)到600MHz，完全可以滿足系統(tǒng)速度的要求在系統(tǒng)中作為掃描控制單元，同時(shí)以MCU芯片為主控制單元。采用該方案可以有效簡(jiǎn)化顯示屏的電路結(jié)構(gòu)，從而提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

1 系統(tǒng)的組成和工作原理

該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)和SDRAM 組成控制中心，由基于Xilinx公司的FPGA的90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256和RAM 組成掃描控制模塊，以FLASH作為存儲(chǔ)器模塊，采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，組成LED屏的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：主機(jī)通過TFTP協(xié)議將圖片傳輸給系統(tǒng)以太網(wǎng)接口模塊，以太網(wǎng)接口模塊解析協(xié)議，接收?qǐng)D片數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU 將接收到的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)模塊NAND Flash.在顯示時(shí)，MCU讀取FLASH 中的數(shù)據(jù)，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸給FPGA掃描控制模塊，經(jīng)掃描控制模塊處理后傳輸?shù)絃ED屏幕上顯示。

圖1 基于FPGA和MCU的LED顯示屏控制系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中需要用2片RAM 芯片作為緩存來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，并以乒乓方式進(jìn)行快速讀寫操作。目前主要有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)和靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)，SRAM 的讀寫時(shí)間短，靜態(tài)功耗比較低，總線利用率高，它不需要刷新電路就能保存內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，但是它的集成度較低，相同的容量占用體積大，價(jià)格較高，主要用于性能要求較高的領(lǐng)域。

DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間，它使用電容存儲(chǔ)，必須經(jīng)常刷新電路來保存數(shù)據(jù)，它的讀寫過程比較復(fù)雜，時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)功耗較大，總線利用率比較低。不過DRAM 的存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜，被大量用在服務(wù)器和電腦中。由于DRAM 讀寫過程比較復(fù)雜，本系統(tǒng)要求存儲(chǔ)器有快速的讀寫響應(yīng)，所以設(shè)計(jì)中選用SRAM 作為存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)所用的LED屏大小為512×64，每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)(RGB)占用24bit，則一場(chǎng)畫面的數(shù)據(jù)量為512×64×24=768kbits.本設(shè)計(jì)選用ISSI公司的IS61LV25616芯片來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。SAA7111輸出16bit視頻信號(hào)，16位數(shù)據(jù)線正好方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它的容量為256×1 024×16bit，足夠存儲(chǔ)一場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，并有留有充足的容量供系統(tǒng)以后的升級(jí)。SRAM 的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 SRAM 電路

2.2 FPGA的硬件設(shè)計(jì)

FPGA的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。FPGA 需要提供大量的I/O引腳和高速的顯示控制信號(hào)，所選用的基于Xilinx公司的FPGA 的90nm 工藝制造的XC3S250E-FTG256可以滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖3 FPGA的硬件結(jié)構(gòu)

2.3驅(qū)動(dòng)電路

FPGA采用的電壓是3.3V，而LED屏體顯示電路的電壓是5V的TTL邏輯電平，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的電路。這個(gè)電路由74HC245構(gòu)成，工作電壓為5V，74HC245采用CMOS工藝，是一種三態(tài)輸出、8組總線收發(fā)器，其輸入電平兼容3.3V系統(tǒng)，使用外接的5V電源將輸出電平提升到5V，同時(shí)為各種控制和數(shù)據(jù)信號(hào)提供驅(qū)動(dòng)能力。74HC245的電路如圖4所示。其中：OE為輸出控制引腳，低電平為有效;DIR引腳用于控制轉(zhuǎn)換方向，接高電平時(shí)表示從A向B轉(zhuǎn)換，A0~A7用于輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，B0~B7用于輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號(hào)。

圖4 74HC245驅(qū)動(dòng)電路

2.4顯示板的驅(qū)動(dòng)電路

LED顯示板的面積很大，它的正面由LED 顯示塊級(jí)聯(lián)而成，背面是驅(qū)動(dòng)電路。由于LED的驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較大，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡量和LED點(diǎn)陣模塊靠近。因此行列驅(qū)動(dòng)器一般都安裝在屏體的背面。LED顯示板的驅(qū)動(dòng)電路中采用了74HC595芯片，是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件，兼容低電壓TTL電路，具有8位串入并出的移位、并行鎖存和三態(tài)輸出功能。移位寄存器和鎖存器使用獨(dú)立的時(shí)鐘，數(shù)據(jù)SDATA 在SCLK的上升沿輸入移位寄存器，在LT的上升沿進(jìn)入的鎖存器中去。當(dāng)使能信號(hào)OE為低電平時(shí)，鎖存器的數(shù)據(jù)輸出到LED.74HC595芯片可以解決數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)串行傳輸在時(shí)間上的沖突問題，在顯示1行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以準(zhǔn)備下1列的LED數(shù)據(jù)。以1/16行掃描為例，LED顯示板的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

CLK是移位寄存器時(shí)鐘，每個(gè)脈沖將引起1位數(shù)據(jù)移入74HC595中，當(dāng)1行的數(shù)據(jù)全部移完后，鎖存信號(hào)LT控制數(shù)據(jù)從74HC595的寄存器移入鎖存器。A、B、C、D是行掃描信號(hào)，其中A是最低位，通過4/16譯碼器控制LED屏的行掃描。OE是消影信號(hào)，它可以選擇控制行信號(hào)或列信號(hào)，用于LED點(diǎn)陣是否能被點(diǎn)亮和控制整屏的亮度。如果OE控制列信號(hào)，它接74HC595芯片的OE端，因?yàn)橹挥挟?dāng)OE為低電平時(shí)74HC595的輸出才有效，否則輸出三態(tài)。如果OE控制行信號(hào)，它接到4/16譯碼器的使能端，低電平時(shí)行掃描不起作用。

圖5 LED顯示板的驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括2部分：上位機(jī)應(yīng)用軟件和嵌入制單元軟件。上位機(jī)軟件編輯在LED顯示屏上顯示的數(shù)息，并實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信;嵌入式控制單元軟件實(shí)現(xiàn)了接收和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸出和圖像顯示方式變換，從而實(shí)現(xiàn)LED屏的控制。

3.1上位機(jī)應(yīng)用軟件

上位機(jī)應(yīng)用軟件用Visual C++編寫，主要實(shí)現(xiàn)顯示的編輯與通訊的功能。該軟件運(yùn)行于WindowsXP環(huán)境中，方便用戶使用。完成的功能有：(1)對(duì)顯示信息進(jìn)行編輯、修改功能，也可以直接調(diào)用Windows中的256色畫圖文件(*.bmp);(2)在上位機(jī)上對(duì)顯示的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)覽，以保證有較好的顯示效果;(3)依照上位機(jī)與I2C接口模塊的協(xié)議，將信息傳輸給系統(tǒng)以I2C接口模塊，從而實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的更新。

大屏幕顯示技術(shù)的原理?主要包括CRT技術(shù)、DLP技術(shù)和LED技術(shù)。

CRT技術(shù)

CRT(Cathode Ray Tube，陰極射線管)技術(shù)通過電子槍發(fā)射電子束，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈的作用下掃描熒光屏，從而顯示圖像。CRT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是圖像色彩豐富、還原性好，并且具有豐富的幾何失真調(diào)整能力。然而，其重要技術(shù)指標(biāo)圖像分辨率與亮度相互制約，亮度值始終徘徊在300流明以下?1。

DLP技術(shù)

DLP(Digital Light Processing，數(shù)字光處理)技術(shù)利用微反射鏡陣列(DMD)來控制光線。以1024×768分辨率為例，每個(gè)小反射鏡代表一個(gè)像素，通過視頻信號(hào)控制反射鏡的開關(guān)，從而產(chǎn)生不同亮度的圖像。DLP投影機(jī)根據(jù)反射鏡片的多少可以分為單片式、雙片式和三片式。單片式DLP通過色輪和DMD芯片將光源發(fā)出的光投射到屏幕上，形成彩色圖像?2。

LED技術(shù)

LED大屏幕顯示系統(tǒng)主要由LED燈珠、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路和散熱系統(tǒng)組成。LED燈珠作為顯示屏幕的基本單元，能夠發(fā)出紅、綠、藍(lán)等多種顏色的光線。控制系統(tǒng)接收和處理外部信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)指令控制每個(gè)LED燈珠的工作狀態(tài)，形成完整的圖像。LED大屏幕顯示系統(tǒng)具有高清晰度、高亮度、長(zhǎng)壽命和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于廣告宣傳、會(huì)議活動(dòng)、公共信息發(fā)布等領(lǐng)域?3。

3.2嵌入式控制單元的軟件

嵌入式控制單元的軟件實(shí)現(xiàn)以下3大功能：數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸出和圖像顯示方式變換。(1)依照顯示屏與上位機(jī)之間的通訊協(xié)議，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，接收顯示數(shù)據(jù)，存入Flash存儲(chǔ)器。(2)將待顯示的數(shù)據(jù)從Flash存儲(chǔ)器中取出，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)上移、下移、左移、右移等豐富多彩的圖像顯示效果。(3)通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸給掃描控制模塊，F(xiàn)PGA通過串并轉(zhuǎn)換等將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合LED屏驅(qū)動(dòng)電路格式的數(shù)據(jù)，然后傳到LED屏幕上顯示出來，仿真如圖6，7所示。

圖6 軟件模擬顯示效果

圖7 LED顯示屏實(shí)際顯示效果

未來大屏幕顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)包括更高清、更智能和更互動(dòng)。高清技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了2K、4K甚至更高分辨率的顯示效果。LED小間距顯示屏、Micro LED和Mini LED等技術(shù)正在不斷進(jìn)步，提供更高的像素密度和更精細(xì)的畫面顯示。此外，智能化成為大屏顯示技術(shù)的新趨勢(shì)，融合了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、語(yǔ)音控制和手勢(shì)識(shí)別等功能?4。

通常用單一單片機(jī)作為主控器件控制和協(xié)調(diào)大屏幕顯示。由多片單片機(jī)構(gòu)成的多處理器系統(tǒng)，其中一片作為主CPU，其他作為子CPU共同控制大屏幕的顯示，該系統(tǒng)可以減輕主CPU 的負(fù)擔(dān)，提高了LED點(diǎn)陣的刷新頻率。但單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率有限，無(wú)法驅(qū)動(dòng)等分辨率LED屏幕，尤其是對(duì)于多灰度級(jí)彩色大屏幕，數(shù)據(jù)送到顯示屏之前要進(jìn)行灰度調(diào)制重現(xiàn)圖像的色彩，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求更高，單片機(jī)控制在速度上無(wú)法滿足上述要求。因此該方案主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，主要進(jìn)行一些文字、圖片等靜態(tài)異步顯示的控制。視頻圖像信號(hào)頻率高、數(shù)據(jù)量大，要求實(shí)時(shí)處理，采用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)控制電路，其中的同步控制、主從控制、讀寫控制和灰度調(diào)制等大量電路進(jìn)行了集成，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。與單片機(jī)控制電路相比，電路結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)潔，電路的面積減小，可靠性增強(qiáng)，調(diào)試也更為簡(jiǎn)單，由于FPGA/CPLD可以并行處理多個(gè)進(jìn)程，比起單片機(jī)對(duì)任務(wù)的順序處理效率更高，點(diǎn)陣的刷新頻率也隨之提高。