復雜電磁環境下超長顯示屏的設計與實現

尤文堅，戴 勵

(1.廣西農業職業技術學院電子信息工程系，廣西 南寧 530007;2.廣西人民廣播電臺技術部，廣西 南寧 530022)

LED顯示屏融合了微電子技術、計算機技術、信息處理技術，其動態范圍廣、亮度高、壽命長、工作穩定可靠，廣泛應用于商業傳媒、信息傳播、新聞發布等，發展前景非常廣闊，并正朝著高耐氣候性、高發光密度、高發光均勻性及全色化方向發展。

本文介紹的超長LED顯示屏，長8.3 m，高0.9 m，對信息的同步性、穩定性要求高，置于一個大型的視頻設備實驗室中，實驗室有幾十臺敞開式的精密視頻實驗設備，還有大量的精密測量儀器，包括數字示波器、信號發生器、交流毫伏表、頻譜分析儀等，電磁環境異常復雜。實驗證明，如果不采取適當的措施，此超長的LED顯示屏點亮時會對實驗室的電子儀器設備帶來明顯的干擾，如在顯示屏與實驗裝置距離0.5 m測試，視頻實驗設備的屏幕會強烈晃動，行電流在0.1～0.9 A之間變動，示波器及交流毫伏表都感應出明顯的干擾信號。同時，盡管不是很明顯，實驗裝置的電磁輻射對顯示屏工作的穩定性也有影響。

電磁兼容性(EMC)是指系統在電磁環境中能夠正常工作且不對該環境中的設備構成不能承受的電磁干擾的能力。國家EMC標準要求，顯示屏的電磁輻射應滿足GB/T19954.1—2005的要求，抗擾度應滿足 GB/T19954.2—2005的要求，顯示屏在3C認證中，認證機構大都采用GB9254標準［1］，該標準要求A級設備的主要限值為:30～230 MHz 40 dB(μV/m)10 m;230～1000 MHz 47 dB(μV/m)10 m。如果在系統設計中未考慮EMC的要求，則不可能符合3C標準的要求。

本顯示屏長8.3 m(含連接邊框)，屬于超長顯示屏，存在數據延遲的問題，如顯示屏水平方向需要32塊單元模組，每塊單元模組串接了8塊移位鎖存器74HC595。74HC595單個芯片的延遲時間為20 ns，則信號在顯示屏單元板中沿水平方向的延遲時間為8×32塊×20 ns=5.12 μs［2］。因此，為了滿足系統的動態要求，在系統的設計中，需要注意選擇高性能的器件，適當改變LED顯示屏單元板排列的方式，通過軟硬結合的方法提高控制系統性能。

1 系統的總體設計

1.1 系統硬件結構設計

本系統設計重點解決兩個問題，一個是超長顯示屏信息的同步性問題，另一個是復雜電磁環境下的EMC問題。超長LED顯示屏數據輸出速度慢，實驗表明，如控制系統采用89C51單片機作為微處理器，在系統的刷新率、同步性及控制的靈活性方面很難達到要求。本系統的控制卡以NXP公司的ARM7芯片LPC2220FBD144為核心，該芯片指令和數據共用一條32位總線，采用3級流水線，內嵌256 kbyte的高速閃爍存儲器，其指令最短周期可以達到17 ns，芯片處理能力強并且速度快、功耗低、資源配置靈活，非常適用于處理顯示屏數據。系統擴展ISSI公司的 IS62L內存和 M29W160EB存儲器，M29W160EB是16 Mbit的閃存，共有35個存儲器塊，系統數據輸出以DMA方式完成，實現了超長LED顯示屏的高速刷新。

系統使用了120塊顯示屏單元，拼接成24×5的結構，顯示屏單元每塊長31.8 cm，高15.8 cm，整個顯示屏長為7.6 m，高為0.8 m。為了滿足此超長顯示屏的高同步性要求，采用了2塊控制卡，一塊同步卡，其示意圖如圖1所示。

圖1 顯示屏拼接示意圖

文獻［2］介紹了一種超長LED顯示屏的驅動方式，其特點是將顯示屏2和控制卡2作為一個整體，以中心為原點旋轉180°，然后將控制卡1、控制卡2及同步控制卡合并為一個控制卡，如圖2所示。這樣控制卡的位置與顯示屏1和顯示屏2的連接距離均為0，消除了在頻率大于1 MHz時，長距離線間電容對信號衰減的影響，只要妥當處理水平移動時的數據組織和數據輸出方式，就能最大限度地保證超長LED顯示屏數據的雙向高速輸出。這種驅動方式也非常適應于本系統，但基于簡潔性及成本的考慮，本系統并未采用。

圖2 一種超長LED顯示屏驅動方式

1.2 系統安裝及EMC設計

顯示屏置于一個復雜的電磁干擾環境下，在其放置的實驗室中，有幾十臺電路板敞開式的視頻實驗設備，有大功率的三相電源及大量的測試儀器設備，電磁干擾的頻譜很復雜，覆蓋了工頻、射頻及微波。此復雜的電磁環境對顯示屏數據的傳輸及正常顯示有一定的影響，但是影響并不明顯，因為顯示屏具有高速刷新的能力，其抗干擾的能力比較強。但是顯示屏本身的電磁輻射對實驗室儀器設備的干擾很大，其箱體的電磁輻射主要集中在30～1000 MHz頻段，在30～400 MHz特別明顯。實測證明，顯示屏的電磁輻射主要來自于具有高速IC芯片的控制卡、扁平電纜及插接件、電源等，并且顯示屏箱體內電磁輻射遠大于顯示屏正面的電磁輻射。

本顯示屏的箱體外框使用鋁合金制作，中間使用了45#鋼板制成的加強筋，背面使用鋁塑板密封，構成一個嚴密的屏蔽體。安裝時顯示屏之間的縫隙盡量小，顯示屏的前面有金屬網格屏蔽層，在顯示屏的左右兩側留出散熱孔，并安裝有散熱風扇。電源系統的功率因數校正器置于顯示屏的右側，這主要是基于散熱及維護的便利性考慮，15個電源模塊均布在顯示屏的中部，每個電源模塊都有金屬屏蔽外殼，電源線從頂部平直拉過，使得電源支線盡量短。在控制卡、同步卡及轉接卡上安裝有金屬屏蔽罩，信號連接線盡量短，對于確實需要的長信號線，盡量使兩端的阻抗匹配，減小信號反射產生波形畸變，形成駐波而產生電磁輻射。在信號線上使用鐵氧體磁環對高頻共模干擾電流進行濾波，因為共模電流的存在是導致輻射過大的主要因素，鐵氧體磁環的選擇要結合其插入損耗隨頻率變化的曲線選擇效果才會好［3］。

顯示屏箱體的金屬接縫處盡量搭接良好，使搭接電阻盡可能小，特別是箱體的后蓋與箱體要盡可能連接緊密，確保整個箱體外殼和大地等電位，才能具有較好的屏蔽效果。另外，電源的傳導干擾不能忽略，采用了改進的拓撲結構，在下一節討論。

2 顯示屏單元的選用

顯示屏單元選用P10模組，P10模組比較成熟可靠，每塊模組有16行，32列，共512個發光二極管，使用的驅動芯片有74HC595，74HC245/244，74HC138，4953 等，電路框圖如圖3所示。

圖3 顯示屏電路框圖

74HC245是信號功率放大芯片，顯示屏是由多塊單元板串接而成的，而控制信號比較弱，在信號傳遞過程中需要進行功率放大。74HC138是譯碼器，用來選擇顯示行，單元板上有2塊74HC138，這樣就可以在16行中選擇1行顯示。P10模組上有16片74HC595，它是8位移位鎖存器，用于驅動顯示列，有些模組使用 TB62726代替74HC595，一片TB62726可以驅動16列;4953是行驅動管，每一顯示行需要的電流比較大，要使用行驅動管，每片4953可以驅動2個顯示行。

3 顯示屏模組供電的拓撲設計

電磁兼容、低能耗、散熱、防水等是LED顯示屏設計要考慮的重要內容，大型LED顯示屏耗能大，隨著顯示內容的變換，電流動態變化范圍大，本系統使用單相電源供電。據實測，在顯示屏靜態顯示一行文字以及滿屏顯示時，其供電電流在2～19 A變化。如顯示屏模組由不帶PFC矯正的開關電源供電，會產生嚴重的諧波失真，波形畸變嚴重，影響電網的供電質量，干擾實驗室中其他儀器設備的正常工作。LED顯示屏系統對供電網絡的影響主要是第3次、第5次、第7次、第9次、第11次諧波電流，諧波疊加后，造成系統綜合功率因素低下，通常低于0.75，遠遠低于國家標準的要求［4］。與本顯示屏連接同一電網的敏感電子儀器眾多，為了滿足EMC的要求，參考文獻［4］介紹了新型LED顯示模組供電拓撲，設計此超長顯示屏的供電體系，其原理如圖4所示。

圖4 顯示屏系統電源拓撲

NCP1653是集成功率因數校正(PFC)芯片，采用獨特的校正技術，使PFC電路的輸入阻抗保持恒定，從而使PFC電路的輸入電流與輸入電壓成正比，只需連接少量的外圍器件，就能實現電路的PFC控制。PFC模塊的具體電路已經比較成熟，主要由芯片NCP1653、開關器件、升壓電感器、升壓二極管、輸出濾波電容及反饋環路組成，電路在90～260 V寬輸入電壓范圍內得到400 V的穩定直流電壓輸出，功率因數接近1，諧波畸變很小。控制板及顯示屏的電源模塊實現DC—DC變換，可以使用基于NCP1207的開關電源實現。此供電拓撲結構通過有源功率因數校正器將DC—DC變換與電網隔離，并進行了PFC有源校正，對電網無諧波干擾，同時顯示屏內部電源總線采用400 V直流電壓傳輸，減少了傳輸損耗。

4 系統測試

系統經過長時間的運行，在復雜的電磁環境下顯示正常，動態特性良好，對電網無諧波干擾，對周圍的精密電子儀器設備無干擾，利用電磁波輻射測試儀檢測電磁泄漏，相關數據如表1所示。需要注意的是，在復雜的電磁環境下，檢測出的數值是環境中綜合影響的結果。

表1 電磁輻射檢測

5 分析與討論

超長LED顯示屏數據輸出速度慢，可以從合理組織數據和提升硬件性能兩方面解決，方案一是將顯示數據按輸出順序連續排列在存儲器中，由控制電路將數據以DMA方式直接輸出，并利用單片機的擴展功能自動產生移位時鐘，結合軟件優化實現顯示數據的高速輸出，可以實現超長顯示屏高刷新頻率的要求［5］。方案二是提高硬件電路的頻率特性，當然可以改善動態特性，但會增加電磁干擾，改變顯示屏單元板的排列方式，使用新的超長顯示屏控制系統驅動方式是一種思路，但并未成熟，有關雙向超長LED顯示屏控制系統的數據組織和硬件實現方法等，都有待進一步研究和探索。

顯示屏的顯示驅動、開關電源、信號處理等電路存在大量的脈沖信號，如數據、時鐘、鎖存、亮度控制等信號，這種高頻脈沖信號具有豐富的高次諧波，是產生電磁輻射的激勵源，特別是時鐘信號占空比為50%的方波，其第3，5次諧波的能量很高，是電磁輻射的重要來源。從抑制電磁輻射的角度考慮，激勵源的脈沖頻譜不能太寬，降低脈沖頻率及不片面追求使用高速電路，對于抑制電磁輻射是有利的［6］。顯示屏內部大量電纜、連接件及PCB電路板上的布線構成了輻射器，尤其在滿足特定條件時輻射效率會增加。從實際的檢測結果看，無論是電源電纜還是信號電纜，都會產生強烈的輻射，構成環天線輻射和單極天線輻射，特別是電源電纜產生的低頻干擾不能忽視，當距離電源線小于40 mm時，電磁輻射的場強會大于2000 V/m。信號電纜可以利用屏蔽線、添加鐵氧體磁環、縮小長度加以抑制，電源電纜的輻射在必要時可以加裝濾波器加以抑制。

顯示屏的傳導干擾主要通過電源線傳播，可以通過電網把干擾傳播到非常廣的范圍。測量表明，傳導干擾的頻率最高為幾十兆赫茲，因為當頻率升高時，導體損耗、布線電感及分布電容使傳導電流大大衰減［7］。接地是抑制干擾的有效手段，從以上的測試可知，系統有無接地其電磁輻射的數值相差很大，如果系統沒有接地，顯示屏的邊框、加強筋、電源板的屏蔽外殼都變成了發射天線，電磁泄漏很強，特別要注意的是顯示屏箱體不能有突出的金屬物體，這會大大增強電磁輻射。另外，顯示屏電路的工作頻率一般高于10 MHz，應采用多點網狀的接地方式，地線應連接到最近的低阻抗地線排，地線排一般使用與機殼相連的扁粗金屬導體，其感抗很小，效果比較好。

6 小結

設計與制作了一套在復雜電磁環境下工作的超長LED顯示屏，系統工作穩定、正常，其動態特性、電磁干擾等指標符合設計要求，并且性價比高，對超長顯示屏的實現以及其在復雜電磁環境下的電磁兼容性進行了有成效的研究。顯示屏技術及電磁兼容理論不斷發展，有很多相關的技術問題還有待進一步研究，如電磁兼容模型、電磁兼容預測、超長冷媒顯示屏在復雜電磁環境下的應用等。

［1］GB9254—2008，信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法［S］.2008.

［2］靳桅，李騏，鄔芝權.超長LED顯示屏驅動方式研究［J］.電視技術，2009，33(2):23－25.

［3］邱榮邦.LED顯示屏電磁輻射干擾的形成與抑制［J］.現代顯示，2008(87):221－224.

［4］任興業.一種新型LED顯示模組供電拓撲［J］.電子設計工程，2010，18(8):157－161.

［5］劉全，靳桅.超長LED顯示屏控制系統的實現［J］.液晶與顯示，2008，23(6):744－750.

［6］陸榮慶.LED顯示屏電磁兼容(EMC)探討［C］//2008全國LED顯示應用技術交流暨產業發展研討會論文集.北京:［s.n.］，2008:27－30.

［7］郭銀景，呂文紅，唐富華，等.電磁兼容原理及應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.