LED显示屏基本知识

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几十年前大型的电子显示屏是用灯泡或照明灯构成，发展到后来的显像管（CRT），主要用在运动场所转播比赛，如今最先进的电子显示屏是LED显示屏。其它一些显示技术，如LCD，机电结构类的显示屏和灯泡显示在某些特定的场合还有一定的用途，但LED显示屏被证明是最可靠，高效，节能，明亮，在技术上也最方便实现.   

    　LED发光技术的原理是某些半导体材料在通以电流的情况下会发出特定波长的光，这种电到光的转换效率非常高，对所用材料进行不同的化学处理，就可以得到各种亮度和视角的LED。
LED显示屏是将LED模块或像素管按照实际需要大小拼装排列成矩阵，配以专用显示电路，直流稳压电源，软件，框架及外装饰等，即构成一台LED显示屏。


一、LED显示屏概述

　　什么是LED？

在某些半导体材料的 PN 结中， 注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN 结加反向电压， 少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED 。

LED的特点

LED是发光二极管的简称（Light Emetting Diodeo）。由于它具有亮度高、响应速度快、低电压、功耗小、耐震动、耐冲击、寿命长等优点，使其成为室内外信息显示终端的主要发光器件。

LED与LED显示屏

　　LED 的发光颜色和发光效率与制作 LED 的材料和工艺有关 ， 目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于 LED 工作电压低（仅 1.5-3V ），能主动发光且有一定亮度 ， 亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（ 10 万小时）， 所以在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式与 LED 显示方式匹敌。

把红色和绿色的 LED 放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏 ； 把红、绿、蓝三种 LED 管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。 制作室内 LED 屏的象素尺寸一般是 2-10 毫米， 常常采用把几种能产生不同基色的 LED 管芯封装成一体， 室外 LED 屏的象素尺寸多为 12-26 毫米，每个象素由若干个各种单色 LED 组成 ， 常见的成品称象素筒，双色象素筒一般由 3 红 2 绿组成，三色象素筒用 2 红 1 绿 1 兰组成。

　　无论用 LED 制作单色、双色或三色屏， 欲显示图象需要构成象素的每个 LED 的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高， 显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。一般 256 级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，而 16 级灰度的彩色图像，颜色过渡界线十分明显。所以，彩色 LED 屏当前都要求做成 256 级灰度的。

应用于显示屏的 LED 发光材料有以下几种形式：

① LED 发光灯(或称单灯) 　　一般由单个 LED 晶片，反光碗，金属阳极，金属阴极构成，外包具有透光聚光能力的环氧树脂外壳。可用一个或多个（不同颜色的）单灯构成一个基本像素，由于亮度高， 多用于户外显示屏。

② LED 点阵模块 　　由若干晶片构成发光矩阵 , 用环氧树脂封装于塑料壳内。适合行列扫描驱动，容易构成高密度的显示屏，多用于户内显示屏。

③ 贴片式 LED 发光灯( 或称 SMD LED) 　　就是 LED 发光灯的贴焊形式的封装，可用于户内全彩色显示屏，可实现单点维护，有效克服马赛克现象。

二、LED显示屏分类

LED 显示屏分类多种多样，大体按照如下几种方式分类：

（1）按使用环境分为户内 , 户外及半户外

　　户内屏面积一般从不到 1 平米到十几平米 , 点密度较高， 在非阳光直射或灯光照明环境使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水能力。

　　户外屏面积一般从几平米到几十甚至上百平米，点密度较稀 ( 多为 1000-4000  点每平米 ), 发光亮度在 3000-6000cd/ 平米 ( 朝向不同，亮度要求不同 ) ， 可在阳光直射条件下使用，观看距离在几 十米 以外，屏体具有良好的防风抗雨及防雷能力。

    半户外屏介于户外及户内两者之间 , 具有较高的发光亮度 ,  可在非阳光直射户外下使用，屏体有一定的密封，一般在屋檐下或橱窗内。

（2） 按颜色分为单色，双基色，三基色( 全彩 )

　　单色是指显示屏只有一种颜色的发光材料，多为单红色， 在某些特殊场合也可用黄绿色 ( 例如殡仪馆 ) 。

　　双基色屏一般由红色和黄绿色发光材料构成。

　　三基色屏分为全彩色 (full color), 由红色，黄绿色 ( 波长 570nm) ， 蓝色构成及真彩色 (nature color), 由红色，纯绿色 ( 波长 525nm), 蓝色构成。

（3） 按控制或使用方式分同步和异步

　　同步方式是指 LED 显示屏的工作方式基本等同于电脑的监视器， 它以至少 30 场 / 秒的更新速率点点对应地实监视器上的图时映射电脑像 , 通常具有多灰度的颜色显示能力，可达到多媒体的宣传广告效果。

    异步方式是指 LED 屏具有存储及自动播放的能力，在 PC 机上编辑好的文字及无灰度图片通过串口或其他网络接口传入 LED 屏 , 然后由 LED 屏脱机自动播放，一般没有多灰度显示能力，主要用于显示文字信息，可以多屏联网。

（4） 按像素密度或像素直径划分

　　由于户内屏采用的LED点阵模块规格比较统一所以通常按照模块的像素直径划分主要有：     ∮ 3.0mm 60000 像素 / 平米 ∮ 3.75mm 44000 像素 / 平米 ∮ 5.0mm 17000 像素 / 平米

　　户外屏的像素直径及像素间距目前没有十分统一的标准，按每平米像素数量大约有 1024 点， 1600 点 ,2000 点 ,2500 点 ,4096 点等多种规格。

（5）按显示性能可分为

视频显示屏：一般为全彩色显示屏

文本显示屏：一般为单基色显示屏

图文显示屏：一般为双基色显示屏

行情显示屏：一般为数码管或单基色显示屏；

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三、LED显示屏特点


全面了解LED显示屏特点，是为了选择高性价比LED显示屏,与其它大屏幕终端显示器相比,LED显示屏主要有以下特点。


? 亮度高：色彩丰富鲜艳，户外显示屏的亮度大于8000mcd/m2，是目前唯一能够在户外全天候使用的大型；


? 寿命长：LED寿命长达100,000小时（十年）以上；


? 视角大：室内视角可大于160度，户外视角可大于120度；


结构模块化，屏幕面积可大可小，小至不到一平米，大则可达几百、上千平米；


? 易与计算机接口，支持软件丰富，操作方便灵活，画面清晰稳定。


显示屏联网：利用一台微机可以同时控制多个显示屏显示不同的内容，显示屏也可脱机工作。


既可以显示文字又可以显示图形图像，字体字型变化丰富。


注：常见大型显示终端对比


屏幕类型              优点                             缺点


电视墙                 全彩色、面积大           画面有分隔感、亮度低不能在户外用、色差大、造价高


PDP                     全彩色、画面细腻        面积不大、亮度低、寿命短


投影机                 全彩色、画面细腻        亮度低不能在户外用、画面受光不均。




四、基本概念


LEDight Emitting Diode（发光二极管）的缩写。


单点直径（Single dot diameter）指一个像素点的直径，单位通常为mm。


象素（PIXEL）：


　　指每单个或多个发光管组成的发光点。是画面上可以被独立控制的最小单元 PIXEL是picture element的缩写，在三基色显示屏上，象素由三部分组成：红，绿，篮，每 一部分由一个或几个LED组成，理论上，分别调节红，绿，蓝的亮度，可以表现出任意颜色。


间距（PITCH）


相邻象素的中心距离。间距越小，可视距离越短。


分辨率（Resolution）


　　通常用于数字显示设备，表示总的象素数量，一般写成宽X高的形式，如800X600。


可视角度（Viewing Angle）


　　当观察者面对LED时可以看到LED的最大亮度，当观察者向左或右移动时，看到的亮度会减少，当亮度减到最大亮度的一半时，此时所处的角度加上向反方向移动得到的角度之和，称水平可视角度，垂直可视角度用同样方式测量。LED的视角厂家会给出参数。


亮度（Brightness）


　　亮度在任何显示设备中都是最重要的参数。亮度的主单位叫烛光（candela），用CD表示，单个LED的亮度通常用millicandelas，MCD，即千分之一CD，把一个平方米的LED亮度加在一起，就得到单位面积亮度，用尼特（NITS）表示，1 NITS＝1 CD/m2。


红绿蓝三色的亮度必须平衡才能准确的还原真实色彩，换句话说，LED的白色必须是白色，而不是粉红色。如果红绿蓝都处于最高亮度，混合出的色彩通常不是白色，为了得到白色（通常称为6500K色温），红绿蓝中须有一个或两个的亮度调低，为了获取正确的白色，必须反复测量调整亮度，这个过程称白平衡。


可视距离（Viewing Distance）


  　对于各种显示器件来说，最佳的观察距离应该是人眼无法分辨出象素的最小距离，，这个距离大约是点间距的3400倍。电视和电脑的观测距离通常要小于这个要求，但可接受的距离不能小于点间距的1700倍。


灰度等级（Grey Levels）


　　也称色彩深度，指不同亮度的数量，红绿蓝有各自的灰度，在全彩色系统中一般是256级灰度，可以产生256X256X256＝16,777,216种颜色，在PC中称为24位色，在LED显示系统中称为8位系统。


LED显示屏能表现的色彩数量取决于RGB三色的灰度等级，在标准的全彩显示屏中为256级灰度，对于体育场馆的LED全彩系统，256灰度是不够的，无法准确的恢复还原色彩。


刷新率（Refresh Rate）


　　显示屏画面更新的速率，通常用赫兹表示（Hz）。与帧频是不同的。


帧频（Frame Rate）


　　显示屏每秒显示的图像帧的数量，通常取决于输入的信号(25 fps for PAL, 30 fps for NTSC)


场频（Field）


　　PAL和NTSC的一半帧，因为PAL和NTSC是隔行扫描，每次刷新只显示半帧图像。


高级概念


　　纯绿（Pure green）和真绿（true green）过去30年，各种颜色LED被相继开发出来，首先是红色，黄色，黄绿色，蓝色LED和纯绿LED在90年代相继被日亚工程师发明。至此,制造LED全彩色显示屏成为可能。播放视频的LED显示屏必须用纯绿，如果用黄绿来做，颜色肯定不真实，如果一个象素里绿管的数量很多，比红管和蓝管的数量多，那肯定是黄绿管，因为黄绿的亮度不够，必须用多个，但黄绿LED价格低廉。该种显示屏俗称伪彩屏。


GAMMA矫正（gamma correction）


　　这是一种通过变换函数来减少灰度数量，从而产生一个更接近真实环境的色彩和对比度，全彩屏实际表现的颜色受到很多限制，当夜晚时，必须降低屏体亮度，此时能够显示的色彩就会减少，因此，数字RGB显示的色彩肯定少于16M色，为了解决这个问题，需要更高层次的灰度，1Bill色的系统（红绿蓝各1024级色）可以表现更真实的色彩，因为从256级灰度扩大到1024级，极大的丰富了可表现的色彩数目。


虚拟象素技术（Virtual Resolution）


　　也称共享象素或动态象素，将4倍于物理象素的象素快速的按奇偶列和奇偶行分4次送到物理象素上显示，其效果相当于将间距缩小一半，其成本与传统做法基本相比，基本没增加，但可以做到原来4倍的分辨率。


一致性（Uniformity）


　　整个画面的质量很大程度上取决于LED的一致性。一致性的问题是LED固有的问题，当LED生产时。他们的亮度，视角，还有其它的特性实际上都不统一，这些参数分布在某一范围，制造商工艺控制的越好，这个范围越小，选用优质厂商提供的LED可以减少调试的工作量，人眼对颜色和亮度的敏感度相当高，对于LED之间的差别很容易察觉，特别在高亮的显示系统中，这种差别更大，设计者必须采用各种技术来消除这种差别，增加一致性。


色差（Colour Shift）


　　LED显示屏由红绿蓝三色组合来产生各种颜色，但这三种颜色由不同材料做成，视角是有差异的，不同LED的光谱分布都是变化的，这些能被观测的差异称为色差。当偏过一定角度观察LED时，其颜色发生改变,人眼判断真实画面的色彩的能力（比如电影画面）比观测计算机产生的画面要好。


单元板规格（Cell board size）


指单元板的尺寸，通常用单元板长乘以宽的表达式表示，以毫米为单位。（48×244）


单元板的解析度（Cell board pixels）：


指一块单元板有多少个像素，通常用单元板像素的行数乘以列数的表达式表示。（如：64×32）


像素密度（Lattice density）


也称点阵密度，通常指每平方米显示屏上的像素个数。


每平方米最大的功耗（Consumption per sqm）


每平方米每小时的最大耗电量，通常是指显示屏全白色工作情况下的耗电量。因为在电源设计上我们采用了增容设计，所以在显示屏满负荷情况下，也不会达到电源的最大功率，对显示屏起到了很好的保护作用。


重量（Kg）


通常指每平方米屏体的重量（含电源、边框等），但不包括框架的重量。


通讯距离（Communication distance）


操作平台（电脑）与屏幕之间的距离。通常8芯网线传输不大于130米，光纤传输在500米—1300米。


支持模式（Support mode）


　　VGA的英文全称是Video Graphic Array，即显示绘图阵列，通常说的显卡接口。VGA支持在640X480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320X240分辨率下可以同时显示256种颜色.


　　肉眼对颜色的敏感远大于分辨率，所以即使分辨率较低图像依然生动鲜明。VGA由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在VGA基础上加以扩充，如将显存提高至1M并使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，这些扩充的模式就称之为VESA（Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会）的Super VGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式。不管是VGA还是SVGA，使用的连线都是15针的梯形插头，传输模拟信号。

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计算 LED 屏体的方法
五、显示屏大小的计算方式。

1．室内显示屏的计算方式。

（1）给出屏的具体数据（长、宽，面积）。

  a.例子：所做屏的规格是Φ5(指像素的直径)屏，屏长5.8米，宽2.6米。

  b.首先，清楚Φ5屏的技术参数单元板规格为488×244mm，单元板解析度64×32

c.计算所用单元板的块数。

屏长或宽用的板数＝预做屏长或宽÷单元板的长或宽

屏长用的板数：5.8米×1000÷488=11.89≈12

屏宽用的板数：2.6米×1000÷244=10.65≈11

d.计算实际的屏的大小。

实际屏长或宽用＝单元板的长或宽×屏长或宽用的块数                     

实际屏长：488×12=5856mm 即5.856米

实际屏宽：244×11=2684mm 即2.684米

e.屏的面积：5.856×2.684=15.72(平方米)

注：通常清况屏体外边框尺寸在屏体尺寸基础上每边各加5-10cm。

  f.屏的分辨率=屏用的板数×单元板的解板度

   屏的分辨率=（12×64）×（11×32）

（2）只给出屏的面积，没有长宽。

a.       例子：做一个面积为9㎡的屏，屏的规格是Φ5(指像素的直径)。

b.      如果只给出了面积，长宽我们要自己算。可以按长、宽4：3或16：9的比例去算。这样画面效果好。(这里以4：3为例)

c.       理论屏屏长为：长=（面积÷12）的平方根×4

宽=（面积÷12）的平方根×3

   即：长=3.46m

宽=2.60m

d. 长宽已经求出来了，下边的计算见（1）中的例子。

2．室外显示屏的计算方式。

（1）给出屏的具体数据（长、宽，面积）。

a.例子：要做P20的户外全彩屏长约10米，宽约6米

b.首先清楚，单元箱体的规格 (箱体长宽) 为1280×960mm，解析度为64×48

c.计算箱体的个数。

屏长或宽用的箱数＝预做屏长或宽÷单元箱的长或宽

  屏长用的箱体数：10米×1000÷1280=7.8123≈8

  屏宽用的箱体数：6米×1000÷960=6.25≈6

d. 计算实际的屏的大小。

实际屏长或宽用＝箱体的(规格)长或宽×屏长或宽用的箱体个数

实际屏长：1280×8=10240mm 即10.24米

实际屏宽：960×6=5760mm 即5.76米

e. 屏的面积：10.24×5.76=158.9824≈158.98(平方米)

f. 屏的分辨率=箱体的解析度长宽×箱体的长宽个箱=（64×10）×（48×6）

（2）只给出屏的面积，没有长宽。

a.例子：如果做一个P20的户外全彩屏面积大约为50平方米。

b. 如果只给出了面积，长宽我们要自己算。可以按长、宽4：3或16：9的比例去算。这样画面效果好。(这里以4：3为例)

c. 理论屏屏长为：长=（面积÷12）的平方根×4

宽=（面积÷12）的平方根×3

   即：长=8.16m

宽=6.12m

d.大概长宽以求出，接下来的计算参考例(1)。  

六、显示屏的亮度计算方法

　以全彩屏为例，通常红、绿、蓝白平衡配比为3：4：1

红色LED 灯亮度：亮度（CD）/M2÷点数/M2×0.3(白平衡配比占30%)÷2

绿色LED 灯亮度：亮度（CD）/M2÷点数/M2×0.6(白平衡配比占60%)

蓝色LED 灯亮度：亮度（CD）/M2÷点数/M2×0.1(白平衡配比占10%)



(1) 已知整屏亮度求单管亮度。

   例如：每平米2500 点密度，2R1G1B，每平米亮度要求为5000 cd/m2，则：

红色LED 灯亮度为：5000÷2500×0.3÷2=0.3cd=300mcd

绿色LED 灯亮度为：5000÷2500×0.6=1.2cd=1200mcd

蓝色LED 灯亮度为：5000÷2500×0.1=0.2cd=200mcd

每像素点的亮度为：0.3×2+1.2+0.2=2.0 cd=2000mcd


(2) 已知单管亮度求整屏亮度。

  例如：以P31.25，日亚管为例。

HSM显示屏主要管芯规格              红                                  绿

HSM-PH-A+(日亚)                          180-440mcd                    1020-2400 mcd

因为白平衡配亮度配比  红：绿：蓝=3：6：1 ；又白平衡的配比以绿管亮度去配其它管。所以如下：

由红：绿=3：6 可知，绿管亮度是红管的2倍，即红管亮度为：2400(蓝)÷2=1200mcd又因为红、绿、蓝四个管中，红管有2个，所以，单个红管的亮度为：1200÷2=600mcd。

由绿：蓝=6：1可知，绿管亮度是蓝管的6倍，即蓝管亮度为：2400(蓝)÷6=400mcd

因，1个发光像素=2红管+1绿管+1蓝管；

即一个像素的亮度=600(红)×2+2400(绿)+400(蓝)=3400mcd=3.4cd

每平方米亮度=1个发光像素的亮度×每平方米的像素密度(个数)=3.4cd×1024(像素个数)=3482cd。以光损20%计算，实际发光亮度应为：2785.28cd。

补充知识：

控制 LED 亮度的方法：

　　有两种控制 LED 亮度的方法。一种是改变流过 LED 的电流，一般 LED 管允许连续工作电流在 20 毫安左右，除了红色 LED 有饱和现象外， 其他 LED 亮度基本上与流过的电流成比例；另一种方法是利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制方法来实现灰度控制， 也就是周期性改变光脉冲宽度（即占空比），只要这个重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高）， 人眼是感觉不到发光象素在抖动。由于脉宽调制更适合于数字控制， 所以在普遍采用微机来提供 LED 显示内容的今天，几乎所有的 LED 屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的。

    　LED 的控制系统通是扫描板上集中控制各象素点灰度， 扫描板将来自控制箱的各行象素的亮度值进行分解（即脉宽调制），然后将各行LED的开通信号以脉冲形式（点亮为 1 ，不亮为 0 ）按行用串行方式传输到相应的 LED 上，控制其是否点亮。这种方式使用器件较少，但串行传输的数据量较大，因为在一个重复点亮的周期内，每个象素在 16 级灰度下需要 16 个脉冲，在 256 级灰度下需要 256 个脉冲，由于器件工作频率限制， 一般只能使 LED 屏做到 16 级灰度。

　　另一种方法是扫描板串行传输的内容不是每个 LED 的开关信号而是一个 8位二进制的亮度值。每个 LED 都有一个自己的脉宽调制器来控制点亮时间。这样，在一个重复点亮的周期内，每个象素点在 16 级灰度下只需要 4个脉冲， 256 级灰度下只需 8 个脉冲，大大降低了串行传输频率。用这种分散控制 LED 灰度的方法可以很方便地实现 256 级灰度控制。常由主控箱、扫描板和显控装置三大部分组成。 主控箱从计算机的显示卡中获取一屏象素的各色亮度数据，然后重新分配给若干块扫描板， 每块扫描板负责控制 LED 屏上的若干行（列），而每一行（列）上 LED 的显控信号则用串行的方式传送。