LED显示屏控制系统的设计

LED显示屏控制系统，简称LED控制系统，是专门为满足用户需求而设计的，用于确保LED大屏幕能够准确显示内容的系统。根据联网方式，该系统可分为两大类：联网版和单机版。联网版，亦被称为LED信息发布控制系统，它能够通过云端系统实现对多个LED终端的集中控制。而单机版，又常被称作LED显示屏控制器或LED显示屏控制卡，它是LED显示屏的核心组件。其主要功能是将外部视频输入信号或板载多媒体文件转换为LED大屏幕能够理解的数字信号，进而驱动LED屏幕的点亮。这种转换功能类似于家用PC中的显卡，但二者最大的区别在于，家用PC的显示器通常是CRT或LCD屏幕，而在此系统中，显示器则是巨大的LED屏幕。此外，该系统还可根据信号接入方式进一步细分为同步系统和异步系统。

只要在现在的市场上走一圈就会发现，大部分的中小规模 LED显示系统，采用的是传统的单片机作为主控芯片。但是内部资源较少、运行速度较慢的单片机，很难满足LED大屏幕的显示屏，因为系统要求数据传输量大，扫描速度要快。以FPGA作为控制器，一方面，FPGA采用软件编程实现硬件功能，可以有效提高运行速度;另一方面，它的引脚资源丰富，可扩展性强。因此，用单片FPGA和简单的外围电路就可以实现大屏幕LED显示屏的控制，具有集成度高、稳定性好、设计灵活和效率高等优点。LED大屏幕显示系统由上位机(PC机)、单片机系统、FPGA控制器、LED显示屏的行列驱动电路等模块组成，如图1所示。上位机负责汉字、字符等数据的采集与发送。单片机系统与上位机之间以异步串行通信工作方式，通过串行端口从上位机获得已完成格式转换的待显示的图形点阵数据，并将其存入EEPROM存储器。之后通过FPGA控制器，将存储器的显示数据还原到LED显示屏。扫描控制电路采用可编程逻辑芯片Cyclone EP1C6，利用VHDL语言编程实现，采用1/16扫描方式，刷新频率在60 Hz以上。本文着重介绍256×1024的单色图文显示屏的FPGA控制模块。

对大屏幕LED显示屏来说，列显示数据通常采用的是串行传输方式，行采用1/16的扫描方式。为16×32点阵屏单元模块的基本结构，列驱动电路采用4个74HC595级联而成。在移位脉冲SRCLK的作用下，串行数据从74HC595的数据端口SER一位一位地输入，当一行的所有32列数据传送完后，输出锁存信号RCLK并选通行信号Y0，则第1行的各列数据就可按要求显示。按同样的方法显示其余各行，当16行数据扫描一遍(即完成一个周期)后，再从第1行开始下一个周期的扫描。只要扫描的周期小于20 ms，显示屏就不闪烁。

256×1024大屏幕显示屏由16×32个的16×32点阵屏级联而成。为了缩短控制系统到屏体的信号传输时间，将显示数据分为16个区，每个区由16×1024点阵组成，每行数据为1024/8=128字节，显示屏的像素信号由LED显示屏的右侧向左侧传输移位，把16个分区的数据存在同一块存储器。一屏的显示数据为32 KB，要准确读出16个分区的数据，其存储器的读地址由16位组成，由于数据只有32 KB，因此最高可置为0。其余15位地址从高到低依次为：行地址(4位)、列地址(7位)、分区地址(4位)。4位分区地址的译码信号(Y0～Y15)作为锁存器的锁存脉冲，在16个读地址发生周期内，依次将第1～16分区的第1字节数据锁存到相应的锁存器，然后在移位锁存信号上升沿将该16字节数据同时锁存入16个8位并转串移位寄存器组中。在下一个16个读地址发生时钟周期，一方面，并转串移位寄存器将8位数据移位串行输出，移位时钟为读地址发生时钟的二分频;另一方面，依次将16个分区的第2字节数据读出并锁入相应的锁存器，按照这种规律将所有分区的第一行数据依次全部读出后，在数据有效脉冲信号的上升沿将所有串行移位数据输出，驱动LED显示。接下来，移位输出第2行的数据，在此期间第1行保持显示;第2行全部移入后，驱动第2行显示，同时移入第3行……按照这种各分区分行扫描的方式完成整个LED大屏幕的扫描显示。

LED大屏幕控制系统 是用于控制LED显示屏显示内容的核心系统，主要功能是将视频信号或多媒体文件转换为显示屏可识别的数字信号，实现文字、图形、视频等内容的实时显示。 ‌根据联网方式可分为‌ 联网版 ‌( 信息发布控制系统 )和‌ 单机版 ‌( 控制卡 )：联网版‌：通过云端系统集中控制多个终端，支持远程实时更新内容，适用于大型网络化部署场景。 ‌12‌单机版‌：作为显示屏核心部件，直接将输入信号转换为显示数据，需配合电脑或独立存储设备使用，常见于固定内容展示场景。 ‌13功能特点

‌信号转换‌：将视频/图片/文字等多媒体内容转换为LED屏幕可识别的数字信号。 ‌13‌脱机/同步控制‌：支持脱机运行(异步控制)或实时同步电脑内容(同步控制)，满足广告、交通诱导等场景需求。 ‌23‌远程管理‌：部分系统支持通过3G/GPRS远程更新内容，降低维护成本。 ‌24应用场景，广泛应用于户外广告、交通指引、商超展示、车载屏幕等领域，部分高端系统还支持智能参数调节和动画播放功能。

LED全彩屏控制系统是LED显示屏的核心组件，主要用于接收并处理视频信号，生成显示屏可识别的数据和时序。该系统广泛应用于户外广告、交通诱导、商超展示等场景 [1]。系统分为异步与同步两类：异步控制系统支持脱机运行，可通过3G/GPRS远程控制，适用于广告发布及交通信息引导;同步系统需连接电脑实时传输数据，适用于动态内容显示。核心控制卡包含A型(支持3G无线群控)、M型(全彩/图文显示)、G型(多协议兼容)等类型，具备网络、串口、U盘等多种接口，支持多窗口编辑、动画播放及智能参数设置，灰度等级最高达4096级。LED全彩屏控制系统是led显示屏的核心组成部分，主要负责责接收来自计算机串行口或DVI接口的画面及视频显示信息，置入帧存储器，按分区驱动方式生成LED显示屏所能识别的串行显示数据和扫描控制时序。该系统可以支持各类单色，双色和全彩LED显示屏显示，支持多区域，多显示对象、多种特技，边框效果显示，并支持Windows的TureType字库、硬件智能设置、显示屏实时监控等多项创新功能。

LED显示屏异步控制系统又称LED显示屏脱机控制系统或脱机卡，支持3G和GPRS以及串口网口等通讯功能，该系统通过异步技术有效的解决了同步系统无法进行集群管理、无法进行远程控制的技术薄弱环节。解决了广告LED行业前几年的发展困惑问题。简易的LED显示屏异步控制系统只可以显示数字时钟、文字、特殊字符。而图文led显示屏异步控制系统则可以分区域控制显示屏幕内容，支持模拟时钟显示、倒计时、图片、表格及动画显示，并且具有定时开关机、温度控制、湿度控制等功能。系统具有操作简单、价格低廉、使用范围较为广泛的优点，广泛应用于户外广告，交通诱导，商超，银行，美容院，医院等领域!

LED同步控制系统就是用电脑和LED显示屏联接起来工作，靠电脑来存储资料再通过发送卡发送到屏里的控制卡上，离开电脑不行;此系统主要用来实时显示视频、图文、通知等。其主要特点是：实时性、表现力丰富、操作较为复杂、价格高。

LED显示屏控制系统可以根据不同的标准进行分类。首先，根据联网方式，该系统可分为联网版和单机版。联网版系统，也被称为LED信息发布控制系统，它能够通过云端系统实现对多个LED终端的集中控制，从而实现信息的远程发布和实时更新。而单机版系统，通常被称为LED显示屏控制器或LED显示屏控制卡，它是LED显示屏的核心部件，负责将外部视频输入信号或板载多媒体文件转换为LED大屏幕能够理解的数字信号。

此外，LED显示屏控制系统还可以根据信号接入方式进行分类，主要包括同步系统和异步系统。同步系统适用于与外部视频源同步显示的场合，能够实时反映视频源的内容变化;而异步系统则更侧重于独立显示，即使在没有外部视频源的情况下，也能保持稳定的显示效果。这种灵活的分类方式，使得LED显示屏控制系统能够适应不同的应用场景和用户需求。

图文显示屏系统：主要指那些仅用于显示图形和文字的LED显示屏，这类屏幕的LED点阵中的发光器件只能亮或灭，无法控制亮度，因此不具备灰度等级控制。

图像显示屏系统：与图文屏相对，这类显示屏具有灰度等级，能够显示出更为生动逼真的画面。其特点是利用有限的灰度等级和颜色调制技术，满足对颜色和灰度要求不高的图像显示需求。

视频显示屏系统：基于先进的显示屏控制系统，这类LED显示屏能够接收并显示清晰的视频信号，呈现出运动的、全彩色的图像，画质细腻、逼真。

二、依据控制方式，显示屏系统可划分为两大类：

通信显示屏系统：此类显示屏采用异步控制方式，意味着LED屏体具备存储及自动播放功能。在PC机上编辑好的文字、无灰度图片等显示信息，以及汉字区位码、图片号和控制命令等，可通过串口或网络接口传入LED屏控制器。控制器会调用预先存储的数据信息，将接收的指令转化为显示屏所需的点阵数据，进而呈现于屏幕上。此类显示屏主要用于显示文字和简单图形信息，支持多屏联网，但一般不具备多级灰度显示能力，且需要带CPU的控制器进行信息处理。

实时映射屏系统：这是一种同步显示屏，其核心功能是实时映射计算机屏幕内容至LED显示屏上，支持在多媒体卡辅助下显示Video视频图像。通过从主机显卡的特征口或视霸卡上获取显卡处理后的显示数据，经过适当处理后即可送至LED显示屏进行呈现。这种方式无需带CPU的控制器，甚至只需一块硬件卡即可实现功能。