LED顯示屏集成控制技術的發展與應用

文元美羅麗聶新明劉桂雄

（1.廣東工業大學 信息工程學院 2.華南理工大學 機械與汽車工程學院）

LED顯示屏集成控制技術的發展與應用

文元美1,2羅麗1聶新明1劉桂雄2

（1.廣東工業大學 信息工程學院 2.華南理工大學 機械與汽車工程學院）

在分析LED顯示屏應用需求的基礎上，簡要介紹LED顯示屏的工作原理，重點分析LED顯示屏集成控制技術發展的驅動型控制、總線型控制以及網絡化控制三個階段，通過對其分析比較，結合LED顯示屏發展需求以及物聯網技術發展，指出物聯網化是LED顯示屏集成控制技術的重要發展趨勢，并提出物聯網下LED顯示屏集成系統架構模式。

LED顯示屏；集成控制；物聯網

1 引言

LED顯示屏是由發光二極管燈珠構成模組屏體，配以相應控制驅動電路的平面式顯示屏幕，具有省電、壽命長、亮度高、視角大、可視距離遠、色彩豐富以及對室內外環境適應能力強等優點。自20世紀80年代后期開始，隨著LED制造技術的不斷完善，LED顯示屏在國外得到了廣泛的應用。我國進入90年代后，在公眾場合發布信息的需求日益增加，促使LED顯示屏的設計制造技術與應用水平都得到了快速提升。

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。無論在器件的性能和系統的組成等方面都取得了長足的進步，目前已經達到的超高亮度全彩色視頻顯示的水平，可以說能夠滿足各種應用條件的要求。我國LED顯示屏的發展基本上與世界水平同步，已經形成了一個具有相當發展潛力的產業[1]。本文在分析LED顯示屏應用需求的基礎上，回顧其控制技術發展歷程，分析指出物聯網化是LED顯示屏集成控制技術發展的重要趨勢。

2 LED顯示屏應用需求

LED顯示屏作為現代信息發布重要媒介之一，在證券交易、金融、交通、體育、廣告等領域的信息發布中有廣泛需求。

在監測和探測領域中，Analatom公司2007年開發了一種結構監測系統（SHM），它將MEMS傳感器安裝在建筑物、橋梁或飛機上，通過無線自組網絡將采集的數據傳輸到LED顯示屏，實現監測信息數據存儲的實時分析、智能化顯示[2]；2010年美國麻省理工媒體實驗室設計一個高度靈活的徽章系統，通過無線紅外線和無線網絡收集用于分類和預測個人或組織行為的數據，配備大型LED顯示屏，對數據進行跟蹤分析，為社會活動互動帶來便利[3]。

在城市信息顯示系統中，LED大屏幕顯示技術已被廣泛植入，通過城市控制中心管理控制，進行LED信息遠程發布[4]。北京2007年建成規模最大的交通誘導信息室外顯示屏發布系統，圖1為安裝在奧林匹克公園東門外的LED誘導信息顯示屏。控制中心根據多種實時數據源自動計算生成實時路況信息，以文字和圖形方式發送到室外誘導屏上，各種宣傳、管制、提示信息以及突發事件信息則通過人工編輯的方式生成[5,6]。

圖1 LED誘導信息顯示屏

在動態視頻顯示中，2010年伊朗Shahid Beheshti大學Siavash Khodambashi等依據單色圖像和視頻動畫的幀差異和存儲特性，通過XC3S50裝置來處理和控制LED顯示，系統配置靈活，擴展方便[7]；中國科學院丁鐵夫等將PC端DVI接口輸出的視頻信號，轉換為適合遠距離傳輸的以太網幀格式，在接收端進行幀解碼和信號還原，通過設計以太網光纖轉換模塊，達到LED顯示屏遠距離傳輸的需求[8]。

除此之外，越來越多的LED顯示屏被安裝在異性模組上，2008年日本Sato.Munehiko等設計了一個可安裝在表面非平面場合上的LED顯示集成系統，接收來自攝像頭或PC機的信息，再通過無線方式將信息傳輸并映射到LED顯示屏[9]；文獻[10]依據市場需求提出了開發各種異型LED顯示屏的方案，薄或超薄顯示屏適用于建筑物外表面裝飾，柔性異型框體結構技術適用于遠距離觀看大面積顯示屏。隨著顯示屏規模大型化、與表面結構復雜建筑物一體化，點狀、線狀、面狀以及異形陣列LED顯示屏或一定區域內分散LED顯示屏必須采用集成化方式進行同步測控，集成化是LED顯示屏重要發展趨勢。

3 LED顯示屏集成控制技術發展

LED顯示屏是由發光二極管點陣模塊或像素單元構成的模組屏體，包括顯示模塊、控制系統及電源系統等組成部分，圖2為LED顯示屏結構原理框圖。其中顯示模塊由LED燈珠組成的模組構成，實現發光顯示；控制系統接收來自微機或處理器的顯示信號，驅動LED發光讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內容；電源系統負責將輸入電壓電流轉為顯示屏需要的電壓電流。

LED顯示屏控制系統是LED顯示屏的核心，LED顯示屏系統的發展最初從驅動型控制系統開始，它通過LED串行移位控制器以及低壓/高壓型 LED控制器，實現LED燈光簡單的亮、滅及模組數字和簡易文字顯示。

從上個世紀90年代以來，隨著LED材料、現場總線控制技術的發展，LED顯示系統出現了多樣化的控制方式，典型代表有：以級聯方式進行控制的串行SPI系統、聯網控制方式RS485控制系統（系統框圖如圖3所示）以及DMX512控制系統。圖3中，PC控制站和多個8031單片機通過一個RS485工業現場網絡連接，顯示信息由PC機多媒體編輯軟件編輯完成后傳送給8031單片機，8031單片機作為控制器件，保證LED控制扳上各部分的有序工作，使LED多媒體顯示屏實現圖像、字符顯示，完成對RS485輸入點陣信息存儲及顯示等功能[11]。

圖2 LED顯示屏結構原理圖

圖3 RS485總線控制LED顯示系統總框圖

可以發現，這些總線控制技術基本能實現單體或小區域LED顯示系統的信息顯示功能，但都存在一些缺點。如DMX512控制系統對每個模組都要求有控制器，設置地址麻煩，異步傳輸復雜；串行SPI控制系統以級聯方式控制LED顯示屏，發生故障時，不易維護；應用RS485總線控制應用層協議在各廠家之間標準未達到統一，兼容性較差。故在大范圍內應用這類技術，存在工程安裝維護過程困難、成本高、傳輸距離短以及顯示屏數量規模受到限制等缺點。

基于TCP/IP網絡的LED網絡控制技術隨后得到迅速發展，圖4為其系統原理框圖。系統由多個控制器NLC協同工作，每個控制器有不同的IP地址，并且控制相應的顯示屏幕，多個控制器通過網絡集線器HUB和 PC機相連，控制器負責接收PC機發送的網絡數據及進行處理，并發送到LED顯示屏上。

有文獻報道[12]基于TCP/IP的LED控制卡NetMO，能實現LED控制同步、異步二合一，每塊NetMO控制卡可設置獨立IP地址、視頻服務IP地址和接受端口，可將其視為標準網絡終端進行操作。用TCP／IP傳輸控制協議能使LED顯示系統控制質量、可靠性有一定程度提高，雙向通信使設備遠程監測、控制有效性加強，但存在信息傳輸途徑單一，系統實現功能有限，操作繁瑣等問題。

從1999年美國麻省理工大學MIT提出物聯網概念以后，物聯網已經引起世界各國的廣泛關注和高度重視，并在智能電網、智能汽車、醫療健康、智能家居等多個應用領域投入使用。2009年美國總統奧巴馬上任后，提出美國政府將參與投資物聯網智慧型基礎設施等新興技術產業，將以傳感器網絡應用為核心的“智慧地球”計劃上升至國家戰略層面，是美國21世紀保持和奪回競爭優勢的手段。2010年中國國家主席胡錦濤在兩院院士大會上也提出“要積極發展智能寬帶無線網絡、先進傳感和顯示、先進可靠軟件技術，建設由傳感網絡、通信設施、網絡超算、智能軟件技術構成的智能基礎設施”[13]。

圖4 基于TCP／IP的LED網絡控制系統原理框圖

物聯網(Internet of Things，IOT)是把傳感器、傳感器網絡技術、RFID技術、通信網與互聯網技術、智能運算技術等融為一體，實現全面感知、可靠傳送、智能處理為特征的，連接人和物理世界的網絡[14,15]。隨著物聯網時代的到來，物聯網技術得到了包括中國在內的各國的重視，中國也提出要建設中國的信息高速基礎設施。顯然在信息時代，未來的世界將是物聯網的世界，未來LED顯示屏就是物聯網的一個終端。智能化網絡集成控制、聯網集成控制多屏技術將成為主流，圖5為筆者提出的物聯網模式下LED顯示集成系統原理圖。利用Internet、3G無線網絡、地理信息系統等技術將不同區域內離散的LED顯示系統相互連接起來建立平臺，由控制中心對分布的各個子系統實現實時監測、同步控制，促使整個控制區域顯示系統顯示信息時能實時按需分配。

圖5 物聯網模式下的LED顯示系統原理框圖

LED顯示屏已成為各類場合向公眾發布信息的主要顯示設備，隨著顯示信息的公開化、透明化以及行業之間的商業競爭，將會帶來新的安全威脅，顯示內容可能被惡意修改或者屏蔽，容易造成個人隱私、商業機密以及政府基礎設施信息的泄露或者更改，顯示終端的安全可信問題成為物聯網模式下LED顯示集成平臺必須解決的基本問題。

4 結論

① 伴隨著城市個性化需求以及LED顯示屏規模的擴大，必須將一定區域內不同信息格式、控制方式和分散的LED顯示屏通過標準化信息接口集成起來，集成化是LED顯示屏技術重要發展趨勢。

② 隨著顯示屏規模大型化、與表面結構復雜建筑物一體化，點狀、線狀、面狀以及異形陣列LED顯示屏或一定區域內分散LED顯示屏必須采用有線、無線方式集成化同步測控，物聯網化是LED顯示屏重要發展趨勢。

③ 由于LED屏顯示內容可信程度具有重大政治、社會影響力，而可信又是制約物聯網應用的瓶頸，因此物聯網化LED顯示屏集成平臺可信度是LED顯示屏技術發展與應用中面臨著的關鍵問題。

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The Development and Application of LED Display Integrated Technology

WenYuanmei1,2Luo li1Nie Xinming1Liu Guixiong2

(1. School of Information Engineering, Guangdong University of Technology 2. School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology )

This paper gives a brief introduction of Led display and three stages in the integrated control technology of LED display, which are development-driven control, bus control and network control. Through the analysis and comparison of the three stages, combining the developing requirement of LED display with the development of the Internet of Things, it is pointed out that Internet of Things is an important trend of LED display integrated control technology. An integrated system architecture mode of LED display based on Internet of Things is proposed.

LED Display; Integrated Control; Internet of Things

文元美，女，1968年生，博士后，副教授，研究方向：機電一體化技術及裝備。