CN102270419A - 一种基于电力网的led显示系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电力网的LED显示系统，它涉及接于同一电力网线，并共用一个电源开关的LED显示系统，尤其是LED护拦管等线型显示装置和LED异步显示屏。其特征是：LED显示系统的电源开关是一电源过零开关，并设置了CPU计数电路用于对周波特征信号计数，它与由晶振等常规时基电路配合产生混合的时基信号，用于保持系统运行的同步。当用于LED异步显示屏时，它被分成若干相同的标准模块便于生产，每一个模块都有自己的编号；用于线型LED显示装置例如护拦管时，不用控制器，并可编写复杂的应用程序。每根护拦管均独立工作，可做到各种复杂显示方式交叉显示，并可实现全彩色和灰度控制。

Description

一种基于电力网的LED显示系统

(一)技术领域：

本发明涉及一种接于同一电力网线上，并共用一个电源开关的LED显示系统，尤其是在LED护拦管等线型显示装置和LED显示屏中的应用。

(二)背景技术：

LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体，随着半导体技术的进步，LED光源得到广泛应用，特别是LED灯饰和广告已经相当普及。现有市场上的LED灯饰和广告产品，例如护拦管、LED显示屏等等都需要控制器和通信线，需要由主控制器产生同步信号来协调它们有序的工作，否则由于仅靠芯片质量就不能保持长时间的同步。目前LED灯饰市场上出现的护栏管内控编程IC芯片，这是利用个别品牌单片机的低端高品质产品，经专门编程形成的功能IC芯片进入市场，它只能编写数百字节简单程序，编写时又有许多限制，造成时间精度差、稳定性不好，更不能随意选择微控制器或单片机，也不能自由编程不能编写复杂程序，由于晶振起振慢只能用RC等等，这就大大限制了它的应用范围并降低了它的使用效果，因此大量护栏管中高端产品特别是LED显示屏无法采用。另外，采用通信线的护栏管，由于需要由主控制器产生同步扫描控制信号就需要控制器和通信线，但大量长的通信线造成了信号干扰和信号衰落，因而须严格限制每个控制器所接护栏管数量、长度。另一方面，LED显示屏由于程序和硬件的结构庞大和复杂性，就必须使用高速高性能的微处理器及专门设计的控制器，这就使得LED显示屏软硬件标准化生产受到限制。现有市场上都是一对一按用户提供的尺寸单个设计后拼装及生产，由于产品的离散性使产品的设计、生产等技术标准等许多方面受到限制，影响了LED显示屏的质量提高。

(三)发明内容：

接于同一电力网线上，并共用一个电源开关的智能控制装置构成的同步控制系统，本人已有专利申请，本发明将上述控制系统，通过技术提升，使它不但可用于点光源显示，还可广泛用于护拦管等线型显示系统和LED异步显示屏等点阵型显示，使它们不用通信线构成同步控制系统。这里仍然设置CPU计数与控制装置，采用对电网周波特征信号计数值作时间基准，来保证各模块之间工作同步，但当开启电源瞬间的时间点，如果落到电网周波特征信号附近时，例如周波信号过零点附近，则因为挂在该电力线上的各个模块的起动时间误差，就可能使各模块对周波信号的计数时间落到周波特征信号例如周波过零点两边，造成有的漏计，从而导致它们之间存在一个过零点的计数误差，即10ms的时间误差，由于该误差相对很小并不会增大，因此不会对普通灯饰系统产生影响。但是当应用到某些场合，例如LED护栏管屏或LED显示屏的某些动态效果显示或动态画面显示、灰度显示、视频显示时，由于它是一个动态过程，特别是当动态显示图像画面具有灰度控制显示时，由于图像灰度控制内容不是每个LED点的开关信号，而通常是一个8位二进制的亮度值。它是采用N场不同亮度高速叠加的结果，一帧帧不同内容或亮度的图像显示更新速度比较快，便可能因各模块之间这一时间误差造成扫描图像不连续，从而对图像质量产生不良影响。为了消除这一个误差，可装一个电源过零开关，通过计算调整各模块统一的开始对周波特征信号计数的时间，使之开始计数的时间点落在周波两个过零点当中，即周波的波顶或波谷，远离过零点并都在过零点一边，这样不但消除了各模块之间电网周波计数误差，而且消除了显示屏开关时的浪涌电流。另一方面，在用周波特征信号作同步信号的同时，各模块基于常规时基信号的CPU数据组织和扫描时序的时间精度可满足各模块在一定时间内同步扫描的要求。

用于LED异步显示屏时，显示屏被分成若干相同的标准模块，各模块均采用电力网周波信号特征值的计数值作程序段运行时间基准，在程序段内采用常规时基信号作CPU数据组织和扫描时序的时间基准。程序段运行结束前留有适当补偿时间，使下一程序段两种时基从同一起点开始。显示屏扫描频率可采用100HZ即每秒100个周波过零信号，无须特别预留补偿时间。如果采用两种时基信号结合，就要预留补偿时间，这主要由于电力网周波信号存在：大网50HZ±0.2HZ，小网50HZ±0.5HZ，实际运营均小于50HZ±0.1HZ的误差。举例：如果用周波过零信号计数值作程序段运行时间基准，段内采用常规时基信号作行及列扫描。LED显示屏扫描频率定为60HZ则扫描121屏使用202个周波过零信号，其中第121屏，即末屏作为补偿时间，扫描可有可无，如果是图像灰度控制，由于末屏亮度值小，对亮度影响不大，其它情况仅影响微秒级的显示时间，从而各模块均可独立工作按时间完成总体效果。

以下介绍本专利的2种应用情况。

当用于线型LED显示装置例如护拦管时，电力网周波信号特征值的计数值作为程序段运行时间基准，常规时基信号作为程序段内的数据组织和控制的时序。传统线型排列的护拦管其显示信号通常采用串行传送方式，只能是整体渐变或追逐、流水等的两者其中之一，但本发明由于每根护拦管均独立工作，因此可以采用脉宽调制方法实现渐变和追逐、流水等各种复杂显示方式交叉显示，并可实现全彩色和灰度控制，而无须通信线。护拦管分成多段显示，每个段为一个显示单元。可以不用编号，每根护拦管都相同，如果是用护拦管构成特殊效果的线型显示时，也可以编号，它们的同步信号是利用电力网周波特征信号。不编号护拦管，即每根护拦管均相同组成线条显示，编程时如果是移动效果，只须注意护拦管最后一段与第一段图形运动接续，以形成追逐、流水等移动效果。由于本发明不受芯片品种和程序复杂性的限制，因此容易实现七彩灯饰效果。如果是用护拦管构成显示屏时就需要编号，其画面显示信息由计算机编辑，经RS232/485串行口及写入装置按编号顺序预先置入护拦管存储器，然后逐屏显示播放。如果增加微控制器数量，使RGB都对应一个微控制器，再用脉宽调制方法实现灰度控制，也可以实现全彩和灰度等画面效果。

对于LED异步显示屏系统，用一定数量硬件相同的独立模块构成所须尺寸的显示屏。每一个模块都有自己的编号，编号可由拨盘开关或印刷文字、符号等方式提供。每一帧图像信息由计算机按各模块显示位置重新分解分配，并经读写板从计算机预置到各模块的存储器中。显示时将图像中每个点的各色LED电平经非易失存储器中表格，转换成对应的不同占空比的脉宽调制信号，再经该条块中微控制器I/O口，经驱动电路点亮对应像素点。播放时，可采用静态扫描显示，但一般采用动态扫描显示方式工作，由窄脉冲驱动，每一个模块在帧同步信号和行同步信号的共同作用下，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。各模块行同步信号由例如晶振等常规时基产生，帧同步信号由周波特征信号计数值产生，这样容易实现重复播放一帧图像信息，并不断循环显示形成一个稳定的画面，如果配合常规时基通过上述适当的时间补偿，也可以实现一帧帧连续播放图像。

这里由于整个LED显示屏已被分割成许多模块，因此微控制器(单片机)行扫描长度大大缩短，对单片机的运行速度和系统抗干扰能力要求大大降低，同时由于分割成许多相同模块，便于标准化生产和安装。

本系统主要用来脱机显示各种文字、符号和图形或动画，也可以用来显示图像甚至某些连续图像。前者画面显示信息由计算机编辑，经串行口及写入装置写入各个对应独立模块的存储器中，然后逐屏显示播放，对于大显示屏写入通讯线可由若干独立的列通讯线构成，这样可降低干扰又方便写入。另一种方法是预先经写入装置写入到各个对应独立模块的U盘中，然后各模块读取U盘中显示信息逐屏显示播放，这时各模块完全独立之间没有写入通讯线。上述结构的异步LED显示屏系统还很容易分区域控制显示屏幕内容。

(四)附图说明：

图1是一种LED异步显示屏电路结构的方框图。

图2是一种LED护拦管显示系统电路结构的方框图。

图3是一种简单无编号的LED护拦管显示系统电路结构方框图。

图4是本发明电源过零开关打开后上电复位的程序流程图。

图5是本发明动态图形显示中混合时基补偿程序流程图。

(五)具体实施方式：

实施例1：LED护拦管

多根护拦管可组成线型显示系统用于建筑物或桥梁的轮廓线显示，也可组成LED护拦管屏，用于显示文字图形等。图2是一种LED护拦管显示系统电路结构方框图，每根护拦管均编号组成LED护拦管屏，也可组成线型显示系统。它由电源过零开关(1)、电源(2)、周波信号整形输入(3)、读显示数据(4)、CPU计数与控制(5)、识别标记(6)、存储器(7)、驱动分配(8)、灯电路(9)构成。这里在市电电源入端或经变压器、电阻降压后的输入端，设置了周波信号整型输入(3)电路，使过零信号经整型后可以供单片机识别、计数。这样，即可将护拦管设计成1-32段以上的各种电路结构。市电电源可直接接市电或接经变压器降压后的市电电源。图2中LED护拦管，每根管均由一片51系列单片机的I/O口送出的控制信号，经驱动分配(8)中的8位输出锁存移位寄存器74HC595驱动输出，根据使用74HC595数量可构成1至16段的护拦管，甚至24段、32段以上的护拦管。当不作动态图形显示或图形更新速度较慢时，可用普通电源开关取代电源过零开关(1)。图2还可以采用3片单片机分别驱动3色LED，并采用脉宽调制方法实现全彩和灰度控制，从而使显示效果更细腻逼真。每根护拦管均显示一幅图片或文字信号中的一部分。该信号由电脑编辑生成并分成与每根护拦管相对应的显示区域，然后经串口和写入装置预置到相应护拦管的存储器中，不用专门的控制器和信号线。图3是用单片机的I/O口直接驱动由三级管构成的驱动分配(5)，再驱动LED灯电路(6)构成的多段护拦管的线型显示系统。它由电源开关(1)、电源(2)、周波信号整形输入(3)、CPU计数与控制(4)、驱动分配(5)、灯电路(6)构成。根据单片机I/O口数量可组成1至8段或更多段的护拦管。例如利用51系列单片机24根I/O口即可组成RGB 8段护拦管，从I/O口输出的每段3色LED开关灯信号经驱动三级管点亮相应的LED灯，配合脉宽调制方法实现七彩以及流水和渐变交替运行。

实施例2：一种异步LED显示屏

本发明设计的一种LED异步双基色显示屏。图1是该LED异步显示屏电路结构的方框图，它由多个相同模块构成，其中每一个模块硬件结构均相同。它由电源过零开关(1)、电源(2)、周波信号整形输入(3)、读显示数据(4)、CPU计数与控制(5)、识别标记(6)、存储器(7)、驱动分配(8)、单元板(9)构成。其中读显示数据(4)可以是一串行通信口，直接读取计算机某一区域显示数据至相应模块存储器(7)，也可以是一U盘，读U盘中显示数据，然后逐屏显示播放。单元板(9)可由多块构成，当单元板数量较少时，可不设驱动分配(8)，由单片机直接送出显示数据和控制信号至单元板(9)的08接口。当不作动态图形显示或图形更新速度较慢时，可用普通电源开关取代电源过零开关(1)。这里采用动态扫描驱动方式，即采用行1/16扫描方式，当行扫描驱动电路选通某行，列扫描驱动电路选通某列，对应LED发光器件就显示该列驱动电路中数据。因此选通时各列应先于各行把该行线上的各列数据准备就绪，一旦选通该行，这一行线上LED发光器件就根据列数据显示。

当开启LED显示屏电源过零开关(1)后，单片机开始计时，经适当延时，使开始对周波过零信号计数的时间落到两个周波过零点的中点，并开始对整型后的周波过零信号进行采集、识别、计数，用计数值作程序段运行时间基准，使各模块同步运行。同时，由晶振电路提供的时间基准作为CPU指令时序及LED显示屏动态扫描的时间基准，用计数值作运行时间基准时，在每一个适当程序段都留有补偿时间，使两种时间基准在补偿时间内消除冲突。

图4是电源过零开关打开后上电复位的程序流程图。这里电源过零开关打开后，首先进行定时器初始化102并起动定时器，然后进行各引脚及各变量初始化103，包括中断及位单元等。其延时时间104采用估算并结合具体电路结构实验数据产生，使之开始对周波过零信号计数的时间落到两个周波过零点的中点。

当显示内容更新速度比较慢时，可采用不断循环显示保持一个稳定的画面，来使两种时基在特定的程序段，有统一的起点，该补偿方法很简单而且效果好。但当用于显示内容包含动态图象图形或具有灰度控制显示等，即显示内容更新速度比较快的LED显示系统时，图5是动态图形显示中混合时基补偿程序流程图。它使两种时基有统一的起点。

图5是利用显示一屏的时间获得补偿。它在每扫描一点，插入查询周波过零信号计数值310，并且在每一行串行移位结束前，也插入查询周波过零信号计数值314，这一屏是附加的，返回316时，各模块下一屏扫描起点时间，将统一为由周波计数值所表达的时间，从而达到各模块同步扫描。

Claims (8)

1.一种基于电力网的LED显示系统，尤其是LED护拦管等线型显示装置和LED显示屏，它们均由多个模块组成，每一模块包括：

电源开关，各模块共用，用于LED显示系统电源的开启和关闭；

电源，用于提供LED显示系统合适的供电电源；

周波信号整形输入电路，使周波信号经整型后可以供微控制器识别、计数；

CPU计数与控制，采用微控制器用于对周波特征信号计数，组织并输出显示数据及控制信号；

显示板及其驱动分配电路，用于点亮LED灯；

其特征是：

显示系统中各模块共用一个电源开关，并接于同一电力网线上，设置了CPU计数电路，用于对周波特征信号计数，该计数值与由晶振等常规时基电路配合产生混合的时基信号，其中用周波特征信号计数值作的时间基准，用于保持系统各模块程序运行全程的同步，常规时基信号依靠其本身计时精度和系统允许误差，作为程序段内的数据组织时序和产生各种扫描同步信号。

2.根据权利要求1所述基于电力网的LED显示系统，其特征在于当显示系统是LED显示屏时，周波特征信号计数值配合常规时基信号作为帧扫描同步信号，由晶振等常规时基电路用于CPU时序及其数据组织时序和行、列扫描用的同步信号。

3.根据权利要求2所述的LED显示屏，其特征在于所述LED显示屏设置了周波信号整形输入电路，使周波信号经整型后可以供微控制器识别、计数。

4.根据权利要求2和3所述的一种基于电力网的LED显示系统，其特征是当显示系统是LED显示屏时，各模块都设有识别标记，用于表明各模块在系统中安装位置，所述识别标记，是在各模块或装置外壳或内部有表明安装位置顺序的标志，标志是用数字或符号或字母或颜色或图形来表示，或用装有拨码开关上的数字或符号或字母或颜色或图形来表示。

5.根据权利要求1所述基于电力网的LED显示系统，其特征在于电源开关是采用电源过零开关，用于消除系统上电时，CPU开始对周波特征信号计数的起点计数误差。

6.根据权利要求2至4所述的LED显示屏，其特征在于所述LED显示屏中各控制模块，都有相同的硬件结构便于标准化生产安装。

7.根据权利要求1所述的一种基于电力网的LED显示系统，当是由线型显示装置例如由护栏管组成的LED显示系统，其特征在于：护栏管之间不用通信线，并采用了程序存储器容量大于1K微控制器。

8.根据权利要求7所述的所述的由线型显示装置组成的LED显示系统，其特征在于护栏管之间不用通信线，并采用了晶振、陶瓷振等时基电路。

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