LED显示屏培训教材作者：王文平日期： 2007.04.02
市奥拓电子
SHENZHEN AOTO ELECTRONICS CO., LTD.
目录
概述 (4)
第一章 LED器件 (5)
§1.1 LED器件应用基础 (5)
1.1.1光度学与色度学 (5)
1.1.2视觉特征 (6)
1.1.3图象质量的评价 (9)
§1.2 LED工作原理 (9)
1.2.1 半导体发光基本原理 (9)
1.2.2 LED特征参数 (11)
1.2.3 LED器件的驱动 (12)
1.2.4 LED器件及显示屏使用注意事项 (13)
§1.3 LED器件简介 (15)
第二章LED图文显示屏 (15)
§2.1 图文显示屏的特点 (15)
§2.2 图文显示屏的显示模式和方法 (17)
§2.3 图文屏的控制方式 (17)
§2.4 LED驱动器74HC595介绍 (17)
§2.5 LED双色图文显示屏驱动电路 (20)
第三章视屏LED显示屏 (21)
§3.1视屏信号源 (21)
3.1.1 计算机显示适配卡 (21)
3.1.2 灵星雨701多媒体视频系统 (22)
§3.2 视屏LED显示屏的基本结构 (22)
§3.3 全彩屏介绍 (24)
3.3.1 适用围 (23)
3.3.2 全彩屏种类 (23)
3.3.3 功能特性 (23)
3.3.4 全彩屏型号规格 (24)
§3.4 灵星雨701控制系统解决方案 (24)
3.4.1 控制系统功能特点 (24)
3.4.2 LED演播室性能参数 (26)
第四章奥拓公司显示屏命名规 (27)
概述
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或单灯像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室外环境适应能力强等优点。LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到单、双色视屏，再到今天的全彩色视屏显示屏的发展经历。无论在器件性能（超高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）和系统集成（数字化的全动态显示系统）等都已走向成熟。其应用领域遍及交通、政府机关信息发布、电信、银行信息发布、广告、宣传、体育、城市亮化等各个方面。
公司自93年成立以来，一直致力于LED显示屏的研发、生产及销售。目前公司现有LED显示屏有：单（双）色图文屏、单（双）色视频、全彩屏视屏等。公司在继承原有的图文屏、视屏的基础上，主推全彩显示屏。
第一章 LED器件
§1.1 LED器件应用基础
为使LED显示屏达到理想的显示效果，除了要对LED器件本身的工作原理及特性有很好的了解外，首先要对光学特性（亮度、色彩、视角等）和人眼视觉特性有所了解。由于图象显示的最终效果是与光源特性（如果是发射的话，还需考虑反射体的光学特性）和视觉特性双方有关的，它既有光学原理描写的客观存在，也有人眼视觉主观感受的因数，两者兼顾才能收到良好的效果。这也就涉及到光学和视觉两个方面的问题。
1.1.1光度学与色度学
光度是对有关的辐射能量与人眼亮度感受两者关系的描述；色度是对有关彩色形成与彩色视觉关系的描述。
一、光度学
人眼对亮度的敏感程度与颜色有关，在整个可见光围并不是均匀的。可以用相对敏感曲线进行描述。图1.1.1给出了人眼对不同波长光线的相对敏感程度。从图中可以看出，人眼对于波长λ＝555nm的黄绿光线最为敏感，我们定义这是的相对视敏度Vs(555)＝1。
二、色度学
人眼对不同光线的敏感程度不同，在这视敏曲线已得到说明。在不同环境下，人眼的视敏曲线也有所不同。如图1.1.3所示，人眼在白天（明）和黑夜（暗），其视敏曲线就有所不同。暗视敏曲线中最敏感部位光线的波长比明视敏
曲线最敏感部位波长小50nm，两者最明感的光线颜色有所不同。人眼对颜色的感觉来源于视网膜上三种不同类型的视锥细胞。不同视锥细胞对不同颜色的敏感，他们的视敏曲线图表示在图1.1.4上，分别为Rs(λ)、Gs(λ)、Bs(λ)，即三种视锥细胞分别对红、绿、蓝三色最敏感。三种细胞共同作用下，就可以得到人对颜色的总体感觉，如图中虚线所示。根据对人眼的研究，知道用R、G、B三基色的不同比例，可以合成不同的颜色。三种颜色不同比例的混合就能发出从白到黑各种不同颜色的光。
白光，可以由RGB三基色配合生成，在公司标准规定的各色配比比例为：
R：G：B＝0.44：1：0.28
在此基础上调整RGB各基色的比例，就可以产生所需要的各种颜色的光。LED全彩屏就是根据这一原理，采用三基色的LED发光器件进行组合，构成显示屏上的一个“点”或者叫做“像素”，然后对每种颜色的LED发光器件的发光强度进行控制，从而配出各种颜色的光线，当各色LED器件的发光强度在允许的最大工作电流的最大时，且满足上述的颜色配比，就能发出最大光强的白光。
1.1.2视觉特征
视觉在很大程度上取决于人的主管感受，每个人的生理、心理状况不同，感受也就不同，视觉特征是指人类视觉的统计特征而言。
一、亮度的对比灵敏度
亮度的围人眼可以对仅有的2％变化的亮度进行区分。对比灵敏度描述的是
人眼对亮度差的区分能力与背景亮度关系密切。正因如此，在LED显示屏的应用过程中，就应该考虑到LED显示屏的亮度与周围环境光线强度之间的合理配合。在白天应该把视频的亮度调高，在夜间应该调低，这样不仅可以更适合人眼的对比度，还可以合理利用能源。目前在公司生产的LED全彩屏都有环境亮度自动调节功能。
三、空间分辨力
人眼在空间的分辨力，是视觉的另一特征。空间分辨率定义为：
ρ＝1/θ
其中θ为能够区分开来的空间两相邻物体的最小视角【以“’”（分）为单位】人眼能区分相邻物体的最小视角约为1’，因此ρ＝1。
人眼的空间分辨率与背景亮度、颜色、物体运动速度等因数有关。当物体的亮度与背景亮度接近时，空间分辨率低；当物体运动速度加大时，空间分辨率降低；相邻物体颜色不同，空间分辨率也不同，对于相邻物体分别为黑/白色时，空间分辨率最高，如果取黑白相邻物体时的空间分辨率为1的话，黑红相邻物体的空间分辨率为0.4，而绿蓝相邻物体的空间分辨率仅为0.19。
四、马赫效应
当亮度发生越变时，例如一侧亮另一侧暗，黑白分明的情况，人眼在越变的交界处会感觉亮的一侧更亮，暗的一侧更暗，这就是所谓的马赫效应。
五、视觉惰性
人眼的亮度感觉不会应光源的消失而立即消失，要有一个延迟时间，这就是视觉的惰性。视觉惰性可以理解为光线对人眼视觉的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通特性。实验证明，当外界光源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小的。这样当一个光源反复通断，
在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，视觉就逐渐不能发现亮度的变化了。不至于引起闪烁感觉的最低反复通断频率，称为临界闪烁频率。通过实验证明临界闪烁频率大约为24HZ。因此采用每秒24幅画面的电影，在人眼看起来就是连续活动的图像了。同样原理，日光灯每秒通断50次，而人眼看起来确是一直点亮的。由于视觉具有惰性，人们在观察高于临界频率的反复通断光线时，所得到的主管亮度感受实际上是可观亮度的平均值。图1.1.7示出了人眼对反复通断光线的视觉感受。
在LED显示屏中，利用视觉惰性，改善驱动电路的设计，形成的目前广泛应用的扫描驱动方式。扫描驱动方式的优点在于LED显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共用一个驱动电路，通过扫描方法，使各组发光灯依次点亮，只要扫描频率高于临界闪烁频率，人眼看起来各组灯都在发光。其次，图像显示区别于图形显示，他不仅要显示物体的轮廓（线框）还要显示出画面各个部分的深浅，即需要有灰度级显示功能。灰度显示要求LED 显示屏能够控制各个发光灯的发光强度。LED发光灯发光强度的控制方法有两种，一种是控制发光灯的工作电流；另一种是控制发光灯在重复通断时，通/断的时钟比例，即所谓的占空比控制。
在彩色图象的显示中，根据色度学的原理，我们知道通过RGB三基色的不同比例，可以配制出各种颜色。因此由红、绿、蓝三种LED组成的一个点光源，分别控制每色发光灯的发光强度，就可以发出可需要的各种颜色的光线。这时同样需要用占空比控制方法，分别对各色发光灯进行控制。
1.1.3图像质量的评价
LED显示屏的好坏，显示效果是一个很重的指标。对图像的灰度级、分辨率、
亮度、色温、白平衡参数、颜色均匀性、色彩逼真（还原）程度等各项指标进行综合对比评价。
§1.2 LED工作原理
1.2.1 半导体发光基本原理
发光二极管是一种将电流顺向通到半导体p-n结处而发光的器件，通常采用双异质结和量子阱结构。1962年GE（General Electric）公司用GaAsP首次将红色LED商品化。最初的红色LED的光通量为0.1lm/W，约是普通灯光的1/150，其发光效率大约每10年提高一个数量级。最近，蓝色、绿色LED已实用化，其发光强度超过AlGaAs类红色LED。这种LED采用氮化物半导体（InGaN混晶）作活性（发光）层的量子阱结构，其发光强度超过10cd，量子效率超过20%。此外，还开发了外部量子效率超过50%的AIInGaP红色LED（630nm）和琥珀--LED （595nm）。InGaN绿色、蓝色LED的量子效率也接近上述值。
坎德拉（cd）是发光强度的单位，用以表示可见光LED发光强度的指标。发光强度I可用光通量Φ和立体角Ω表示。I=dΦ/dΩ[cd]Φ=Km∫V（λ）Pλdλ[lm]其中，Km为在波长555nm围的最大可见度（683nm），绿色对人眼是最亮的。V（λ）是在波长为λ时的相对可见度[V(555nm)=1],Pλ为光谱辐射通量。
白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。在蓝色LED芯片上涂敷荧光体，最后用环氧树脂将芯片周围密封。两种方式（单芯片型和多芯片型）可得到色调效果好（Ra 85）的白光。一是同时点亮红色、绿色、蓝色（R.G.B）或蓝绿色和黄橙色2、3种LED；二是用辐射蓝色或紫外LED作激励光源激励荧光体的方式。第一种方式不仅在LED的驱动电压或发光输出上有缺陷，
而且在温度特性或器件寿命上也存在问题，因此距实用化还有一段距离。第二种方式则用一个器件即可，驱动电路，易于设计。有两种激励方式：即（1）用蓝色LED激励发黄光的荧光体。（2）用紫外LED激励R.G.B荧光体。激励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组拿来不同可发射白光以外的各种颜色的光，因而可广泛应用于照明。如前所述，每一个LED的光通量（lm）很弱，要作为照明光源必须配置多个LED。而开发LED照明用光源，则必须对包括多个LED集成器件光分布在的装置系统进行优化设计，经外，研究人员还必须参加半导体发光器件和照明光源的开发及技术交流。预计今后将有各种型号的白色LED问世。然而，现在单芯片型InGaN蓝色LED和YAG荧光体组成的白色LED仅外于产品化阶段。美国LEDtronics公司、Gentex公司正致力于用蓝绿色LED和琥珀色LED开发多芯片型LED光源的研究，但难以实现一样的混色，故很难达到实用化。用R.G.B三基色LED开发了白色LED，现实验室水平的发光效率已超过40lm/W，近几年可望超过100lm/W。
作为荧光体激励光源的多量子阱（MQW）LED的外部量子效率已提高了20%其温和色调优异。受YAG荧光体寿命影响的白色LED的寿命已超过数万小时。用具有上述优异特性的炮弹型LED在玻璃状环氧基板上以大约7mm间隔串联41个LED，并将17列并联，一共用697个。白色LED装置使用商用电源AC100V，60Hz及全波整流后的稳压电源（电容输入型整流电流）。为减少LED器件的耗电量，整流后电源的波形变动量大峰值电压为143V，最小电压为126V。在此状态下，各LED上施加电压最大约为3.49V，最小约为3.07V时，电流值最大约为17mA，最小为3mA，耗电约为20W。图1为用41个LED组成的照明器具。图2表示了AC100V，120Hz驱动时的发光光谱，该光谱与直流顺向发光光谱特性相一致。用灯座插入方式，距发光面30cm处的光照度约为1200lx，耗电约为1W。
无论哪种光源都无需装配冷却装置。
1.2.2 LED特征参数
一、光强度（即亮度）
光强度定义为单位立体角所发射出的光通量，单位为烛光(cd)。一般而言，光源会向不同方向以不同强度放射出其光通量，在特定方向单位立体角所放出之可见光辐射强度即称之为光强度。
二、色度
人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明协会（CIE）根据标准观测者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以纪录，计算出红、绿、蓝三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的CIE1931ColorMatchingFunction(x((),y((),z(())，而根据此一配色函数，后续发展出数种色彩度量定义，使人们得以对色彩加以描述运用。根据CIE1931配色函数，将人眼对可见光的刺激值以XYZ表示，经下列公式换算得到x,y值，即CIE1931(x,y)色度坐标，透过此统一标准，对色彩的描述便得以量化并加以控制。主波长(λD) 其亦为表达颜色的方法之一，在得到待测件的色度坐标(x,y)后，将其标示于CIE色度坐标图(如下图)上，连结E光源色度点(色度坐标(x,y)=(0.333,0.333))与该点并延伸该连结线，此延长线与光谱轨迹(马蹄形)相交的波长值即称之为该待测件的主波长。惟应注意的是，此种标示方法下相同主波长将代表多个不同色度点，是以用于待测件色度点邻近光谱轨迹时较具意义，而白光LED则无法以此种方式描述其颜色特性。
三、纯度（用波长表示）
其为以主波长描述颜色时之辅助表示，以百分比计，定义为待测件色度坐标与E光源之色度坐标直线距离与E光源至该待测件主波长之光谱轨迹色度坐
标距离的百分比，纯度愈高，代表待测件的色度坐标愈接近其该主波长的光谱色，是以纯度愈高的待测件，愈适合以主波长描述其颜色特性，LED即是一例。
四、色温
一光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体辐射能量分布相同时，其光源色度与此黑体辐射之色度相同，此时光源色度以所对应之绝对温度表之，此温度称之为色温，而在各温度下之黑体辐射所呈现之色度可在色度图上标出曲线，称之为蒲朗克轨迹。标准黑体的温度愈高，其辐射出的光线对人眼产生蓝色刺激愈多，红色刺激成分亦相对减少。然而在实际量测上，无任何光源具有跟黑体相同的辐射能量分布，换言之，待测光源之色度通常并未落在蒲朗克轨迹上。因此计算待测光源之色度坐标所最接近蒲朗克轨迹上某个坐标点，此点之黑体温度即定义为该光源之相关色温，通常以CIE1960UCS色度图求之，并配合色差△uv加以描述。须注意的是，此种表示方式对光源色度邻近蒲朗克轨迹时方具意义，是以对于LED量测而言，仅适用于白光LED之颜色描述。
1.2.3 LED器件的驱动
目前公司采用的LED器件的驱动方式有两种，分别是：扫描驱动和恒流驱动。
一、扫描驱动
采用译码器对扫描电路的实现。为了说明扫描驱动的具体形式，常用1/n 作为参数进行描述。例如常说采用1/2、1/4、1/8、1/16扫描方式等。如图1.2.8给出1/16扫描驱动电路原理图。在公司，扫描驱动主要室显示屏，当然也有用于户外屏(有V6、V7全彩屏)。
图1.2.8 1/16扫描驱动电路
二、恒流驱动
目前公司采用的东芝的TB62726AFG恒流芯片实现对LED恒流的驱动显示控制。在满足TB62726芯片的工作参数下，芯片不受环境参数的改变而改变输出电流。在公司主要应用于户外显示屏。
1.2.4 LED器件及显示屏使用注意事项
一、安全使用LED器件
1、静电防护
LED器件对静电防护等级要求较高，也因此在LED器件、LED显示板、屏体在储运、加工、周转、搬运等过程中要特别考虑对静电的防护措施。
2、在LED的运用过程中，器件的各种参数都不得超过其最大允许值。
3、LED器件得反向击穿电压很低，因此要求在使用时不能将正负极性接反。
4、LED器件的耗散功率有限，且随环境温度的上升而下降。因此在器件的安装布局时，应该远离其它发热元件，以便保证LED能够发挥其最大功率。
5、焊接时应该注意引脚的导热，一般使用25W～40W的烙铁，焊接时间不能超过3～5s（40W的不能超过3s）。
6、LED器件的表面封装材料（环氧树脂）遇到丙酮等有机溶剂时可能会被溶解，影响其透光性能和视角。如需清洗器件表面时，应按照器件生产厂家的说明，用指定的清洗剂清洗。
7、各种LED器件在电压源驱动时，均需串入限流电阻。
二、正确选择和应用LED器件
为使LED显示屏达到理想的显示效果，需要正确选择和应用LED器件，应注意以下问题：
1、亮度的正确选用，按照屏体订单亮度要求，正确计算所需LED的亮度档位。
2、选择正确的波长，选择正波长，以免颜色不纯，且各颜色在一个订单中只
允许一个波长档。
3、LED亮度档要求不能超过3档，且在实际使用中进行混插。
在LED显示屏的安装需要注意的问题，主要有屏体大小与观察距离的关系和安装倾角等。屏体大小与观察距离应该有适当的比例，一般情况下观察距离可以取屏体对角线长度的2～20倍，在6～10倍的距离上观察效果最好。最大可观察的距离可达屏体对角线长度的100倍以上。屏体安装时，应该注意器件发光的指向性，当屏体安装高度很高时，应该使屏体保持一定的倾角，以便使发光的主要方向指向最佳观察位置。
此外，屏体的安装还注意显示屏的电磁辐射对外界的影响，以及外界电磁辐射对显示屏的影响。户外显示屏为避免照射造成反差降低的后果，可以考虑加装整体的或分散到每个光源的遮光板或罩，如模组上的面罩。
§1.3 LED器件简介
一、LED发光灯
目前公司使用的主流LED发光灯的品牌有：COTCO inc（华刚）、佳光、SBO、日本日亚等。
目前公司使用的主流LED发光灯的规格有：Ф3.0、Ф4.0、Ф5.0，当然市场上还有其他主流规格的如Ф8、Ф10等。
二、LED点阵模块
目前公司使用的主流LED点阵模块的品牌有：国冶星、奥伦德等。
目前公司使用的主流LED点阵模块的规格有：Ф1.9、Ф3.0、Ф4.0、Ф4.8、Ф5.0，当然市场上还有其他主流规格的如Ф8、Ф10等。
第二章 LED点阵显示屏
∮2.1图文显示屏的特点
一般把显示图形或文字的LED显示屏称为图文屏。图文显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器的通断（发光或熄灭），而不是控制LED的发光强弱。LED器件的颜色可以是单色的、双色的，个别情况下甚至是多色的。LED图文显示屏的外观可以做成条形，简称条屏，也可以按一定的高宽比例做成矩形平面的图文显示屏。其在显示与控制原理上是一样的，只是外观的区别。
不论是显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据，对于只控制通断的图文屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位（1bit），在需要该LED器件发光时数据中相应的位填“1”，否则填“0”。当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写数据，就可以构成一个显示数据文件。显示图形的数据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。文字的点阵格式比较规，可以采用现行计算机通用的字库字模。
用点阵方式构成的图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式图文显示屏经常需要变化的信息，是非常有效的。
条屏常用于简短明确的信息，而平面显示屏多用来显示比较复杂的信息。
点阵显示方式适应信息变化的优点，是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路为代价的。
图文显示屏的颜色，有单色、双色和多色几种。最常用的是单色图文屏。单色图文屏多使用红色和绿色LED点阵单元。显示的时候，各颜色的点阵是分开控制的。事先设计好各种颜色的显示数据，显示分别送到各自的显示点阵，即可实现预期效果。每一种颜色的控制方法和单色的完全相同。
∮2.2图文显示屏的显示模式和方法为吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示，它是指人主观观察所显示图文的效果是静止不动的。与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够动的。按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放、翻页、伸展等多种显示特技。产生不同显示模式的方法，主要是随时间变化不断控制刷新显示数据。
刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢，动感不显著；刷新太快了，中间过程看不清。一般刷新周期可控制在几毫秒到几十毫秒围之。
∮2.3图文显示屏的控制方式
一、主控系统的简介
目前公司图文屏的控制方式采用微机控制实现。上位机可采用普通PC 机，使用的上位机软件有：V3.12的LedDraw 和AOTO TWTP2000 V2.10软件。下位机采用单片机担任控制，其下位机主板主要有两种：PKTWP1T3A2和PKTWTPT2A0型号的。PKTWP1T3A2使用V3.12的LedDraw 软件，PKTWTPT2A0使用AOTO TWTP2000 V2.10软件。
∮2.4 LED 驱动器74HC595芯片介绍
74HC595S 是8位串行输入，并行或串行输出的移位寄存器，输出具有锁存（3态）功能。其输入可以和标准CMOS 输出完全兼容，移位寄存器和锁存器具有独立的输入时钟，移位寄存器有一个清零复位端，在输出部分有控制开关。 ● 特点： 驱动电流大 速度快 工作电压围：2.0～6.0V 低输入电流：1.0μA 高抗噪声度
● 极限参数：
电源电压Vcc 最大值7.0V
每个输出端输出电流I OUT = 45mA
存储温度To -65～150℃
● 引脚功能：
15，1，2，3，4，5，6，7. Q A ～Q H 三态锁存
输出。
8. GND 地 。
9. SQ H 串行输出。
10. RESET 低电平有效，使移位寄存器输出清零，对缓冲器无影响。
11. SC 移位寄存器输入时钟，上升沿使串行输入数据进入移位寄存器。
12. LC 锁存器输入时钟，上升沿锁住移位寄存器的数据。
13. OE
低电平有效，使锁存器的数据输出。高电平使输出并行输出端变为高
阻态。
14. IN 串行数据输入端。
16. Vcc 电源。
●原理框图
●电特性
电特性 Ta=25℃ Vcc=4.5V
∮2.5双色图文显示屏驱动电路
第三章视屏LED显示屏
随着社会不断的进步，人们对公共传媒质量的要求越来越高，特别是在了