复杂电磁环境下超长显示屏的设计与实现

LED显示屏融合了微电子技术、计算机技术、信息处理技术，其动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠，广泛应用于商业传媒、信息传播、新闻发布等，发展前景非常广阔，并正朝着高耐气候性、高发光密度、高发光均匀性及全色化方向发展。

本文介绍的超长LED显示屏，长8.3 m，高0.9 m，对信息的同步性、稳定性要求高，置于一个大型的视频设备实验室中，实验室有几十台敞开式的精密视频实验设备，还有大量的精密测量仪器，包括数字示波器、信号发生器、交流毫伏表、频谱分析仪等，电磁环境异常复杂。实验证明，如果不采取适当的措施，此超长的LED显示屏点亮时会对实验室的电子仪器设备带来明显的干扰，如在显示屏与实验装置距离0.5 m测试，视频实验设备的屏幕会强烈晃动，行电流在0.1～0.9 A之间变动，示波器及交流毫伏表都感应出明显的干扰信号。同时，尽管不是很明显，实验装置的电磁辐射对显示屏工作的稳定性也有影响。

电磁兼容性(EMC)是指系统在电磁环境中能够正常工作且不对该环境中的设备构成不能承受的电磁干扰的能力。国家EMC标准要求，显示屏的电磁辐射应满足GB/T19954.1—2005的要求，抗扰度应满足 GB/T19954.2—2005的要求，显示屏在3C认证中，认证机构大都采用GB9254标准［1］，该标准要求A级设备的主要限值为:30～230 MHz 40 dB(μV/m)10 m;230～1000 MHz 47 dB(μV/m)10 m。如果在系统设计中未考虑EMC的要求，则不可能符合3C标准的要求。

本显示屏长8.3 m(含连接边框)，属于超长显示屏，存在数据延迟的问题，如显示屏水平方向需要32块单元模组，每块单元模组串接了8块移位锁存器74HC595。74HC595单个芯片的延迟时间为20 ns，则信号在显示屏单元板中沿水平方向的延迟时间为8×32块×20 ns=5.12 μs［2］。因此，为了满足系统的动态要求，在系统的设计中，需要注意选择高性能的器件，适当改变LED显示屏单元板排列的方式，通过软硬结合的方法提高控制系统性能。

1 系统的总体设计

1.1 系统硬件结构设计

本系统设计重点解决两个问题，一个是超长显示屏信息的同步性问题，另一个是复杂电磁环境下的EMC问题。超长LED显示屏数据输出速度慢，实验表明，如控制系统采用89C51单片机作为微处理器，在系统的刷新率、同步性及控制的灵活性方面很难达到要求。本系统的控制卡以NXP公司的ARM7芯片LPC2220FBD144为核心，该芯片指令和数据共用一条32位总线，采用3级流水线，内嵌256 kbyte的高速闪烁存储器，其指令最短周期可以达到17 ns，芯片处理能力强并且速度快、功耗低、资源配置灵活，非常适用于处理显示屏数据。系统扩展ISSI公司的 IS62L内存和 M29W160EB存储器，M29W160EB是16 Mbit的闪存，共有35个存储器块，系统数据输出以DMA方式完成，实现了超长LED显示屏的高速刷新。

系统使用了120块显示屏单元，拼接成24×5的结构，显示屏单元每块长31.8 cm，高15.8 cm，整个显示屏长为7.6 m，高为0.8 m。为了满足此超长显示屏的高同步性要求，采用了2块控制卡，一块同步卡，其示意图如图1所示。

图1 显示屏拼接示意图

文献［2］介绍了一种超长LED显示屏的驱动方式，其特点是将显示屏2和控制卡2作为一个整体，以中心为原点旋转180°，然后将控制卡1、控制卡2及同步控制卡合并为一个控制卡，如图2所示。这样控制卡的位置与显示屏1和显示屏2的连接距离均为0，消除了在频率大于1 MHz时，长距离线间电容对信号衰减的影响，只要妥当处理水平移动时的数据组织和数据输出方式，就能最大限度地保证超长LED显示屏数据的双向高速输出。这种驱动方式也非常适应于本系统，但基于简洁性及成本的考虑，本系统并未采用。

图2 一种超长LED显示屏驱动方式

1.2 系统安装及EMC设计

显示屏置于一个复杂的电磁干扰环境下，在其放置的实验室中，有几十台电路板敞开式的视频实验设备，有大功率的三相电源及大量的测试仪器设备，电磁干扰的频谱很复杂，覆盖了工频、射频及微波。此复杂的电磁环境对显示屏数据的传输及正常显示有一定的影响，但是影响并不明显，因为显示屏具有高速刷新的能力，其抗干扰的能力比较强。但是显示屏本身的电磁辐射对实验室仪器设备的干扰很大，其箱体的电磁辐射主要集中在30～1000 MHz频段，在30～400 MHz特别明显。实测证明，显示屏的电磁辐射主要来自于具有高速IC芯片的控制卡、扁平电缆及插接件、电源等，并且显示屏箱体内电磁辐射远大于显示屏正面的电磁辐射。

本显示屏的箱体外框使用铝合金制作，中间使用了45#钢板制成的加强筋，背面使用铝塑板密封，构成一个严密的屏蔽体。安装时显示屏之间的缝隙尽量小，显示屏的前面有金属网格屏蔽层，在显示屏的左右两侧留出散热孔，并安装有散热风扇。电源系统的功率因数校正器置于显示屏的右侧，这主要是基于散热及维护的便利性考虑，15个电源模块均布在显示屏的中部，每个电源模块都有金属屏蔽外壳，电源线从顶部平直拉过，使得电源支线尽量短。在控制卡、同步卡及转接卡上安装有金属屏蔽罩，信号连接线尽量短，对于确实需要的长信号线，尽量使两端的阻抗匹配，减小信号反射产生波形畸变，形成驻波而产生电磁辐射。在信号线上使用铁氧体磁环对高频共模干扰电流进行滤波，因为共模电流的存在是导致辐射过大的主要因素，铁氧体磁环的选择要结合其插入损耗随频率变化的曲线选择效果才会好［3］。

显示屏箱体的金属接缝处尽量搭接良好，使搭接电阻尽可能小，特别是箱体的后盖与箱体要尽可能连接紧密，确保整个箱体外壳和大地等电位，才能具有较好的屏蔽效果。另外，电源的传导干扰不能忽略，采用了改进的拓扑结构，在下一节讨论。

2 显示屏单元的选用

显示屏单元选用P10模组，P10模组比较成熟可靠，每块模组有16行，32列，共512个发光二极管，使用的驱动芯片有74HC595，74HC245/244，74HC138，4953 等，电路框图如图3所示。

图3 显示屏电路框图

74HC245是信号功率放大芯片，显示屏是由多块单元板串接而成的，而控制信号比较弱，在信号传递过程中需要进行功率放大。74HC138是译码器，用来选择显示行，单元板上有2块74HC138，这样就可以在16行中选择1行显示。P10模组上有16片74HC595，它是8位移位锁存器，用于驱动显示列，有些模组使用 TB62726代替74HC595，一片TB62726可以驱动16列;4953是行驱动管，每一显示行需要的电流比较大，要使用行驱动管，每片4953可以驱动2个显示行。

3 显示屏模组供电的拓扑设计

电磁兼容、低能耗、散热、防水等是LED显示屏设计要考虑的重要内容，大型LED显示屏耗能大，随着显示内容的变换，电流动态变化范围大，本系统使用单相电源供电。据实测，在显示屏静态显示一行文字以及满屏显示时，其供电电流在2～19 A变化。如显示屏模组由不带PFC矫正的开关电源供电，会产生严重的谐波失真，波形畸变严重，影响电网的供电质量，干扰实验室中其他仪器设备的正常工作。LED显示屏系统对供电网络的影响主要是第3次、第5次、第7次、第9次、第11次谐波电流，谐波叠加后，造成系统综合功率因素低下，通常低于0.75，远远低于国家标准的要求［4］。与本显示屏连接同一电网的敏感电子仪器众多，为了满足EMC的要求，参考文献［4］介绍了新型LED显示模组供电拓扑，设计此超长显示屏的供电体系，其原理如图4所示。

图4 显示屏系统电源拓扑

NCP1653是集成功率因数校正(PFC)芯片，采用独特的校正技术，使PFC电路的输入阻抗保持恒定，从而使PFC电路的输入电流与输入电压成正比，只需连接少量的外围器件，就能实现电路的PFC控制。PFC模块的具体电路已经比较成熟，主要由芯片NCP1653、开关器件、升压电感器、升压二极管、输出滤波电容及反馈环路组成，电路在90～260 V宽输入电压范围内得到400 V的稳定直流电压输出，功率因数接近1，谐波畸变很小。控制板及显示屏的电源模块实现DC—DC变换，可以使用基于NCP1207的开关电源实现。此供电拓扑结构通过有源功率因数校正器将DC—DC变换与电网隔离，并进行了PFC有源校正，对电网无谐波干扰，同时显示屏内部电源总线采用400 V直流电压传输，减少了传输损耗。

4 系统测试

系统经过长时间的运行，在复杂的电磁环境下显示正常，动态特性良好，对电网无谐波干扰，对周围的精密电子仪器设备无干扰，利用电磁波辐射测试仪检测电磁泄漏，相关数据如表1所示。需要注意的是，在复杂的电磁环境下，检测出的数值是环境中综合影响的结果。

表1 电磁辐射检测

5 分析与讨论

多年来，中药饮片的硫磺熏蒸一直是困扰监管部门的顽疾，服用硫磺熏蒸的中药，会严重损害人体健康。如何摸索二氧化硫检测方法，成为摆在殷红妹面前一道棘手难题。“难题不可怕，只怕有心人”，殷红妹对杭州市场26种常用中药饮片进行探索性监测，通过每年几百批次检测二氧化硫数据的积累，在全国率先制定了中药饮片二氧化硫的限量标准。该检测数据，为杭州市场中药饮片无硫化工作推进提供了强有力的技术支撑，经验在全国范围内推广。

显示屏的显示驱动、开关电源、信号处理等电路存在大量的脉冲信号，如数据、时钟、锁存、亮度控制等信号，这种高频脉冲信号具有丰富的高次谐波，是产生电磁辐射的激励源，特别是时钟信号占空比为50%的方波，其第3，5次谐波的能量很高，是电磁辐射的重要来源。从抑制电磁辐射的角度考虑，激励源的脉冲频谱不能太宽，降低脉冲频率及不片面追求使用高速电路，对于抑制电磁辐射是有利的［6］。显示屏内部大量电缆、连接件及PCB电路板上的布线构成了辐射器，尤其在满足特定条件时辐射效率会增加。从实际的检测结果看，无论是电源电缆还是信号电缆，都会产生强烈的辐射，构成环天线辐射和单极天线辐射，特别是电源电缆产生的低频干扰不能忽视，当距离电源线小于40 mm时，电磁辐射的场强会大于2000 V/m。信号电缆可以利用屏蔽线、添加铁氧体磁环、缩小长度加以抑制，电源电缆的辐射在必要时可以加装滤波器加以抑制。

显示屏的传导干扰主要通过电源线传播，可以通过电网把干扰传播到非常广的范围。测量表明，传导干扰的频率最高为几十兆赫兹，因为当频率升高时，导体损耗、布线电感及分布电容使传导电流大大衰减［7］。接地是抑制干扰的有效手段，从以上的测试可知，系统有无接地其电磁辐射的数值相差很大，如果系统没有接地，显示屏的边框、加强筋、电源板的屏蔽外壳都变成了发射天线，电磁泄漏很强，特别要注意的是显示屏箱体不能有突出的金属物体，这会大大增强电磁辐射。另外，显示屏电路的工作频率一般高于10 MHz，应采用多点网状的接地方式，地线应连接到最近的低阻抗地线排，地线排一般使用与机壳相连的扁粗金属导体，其感抗很小，效果比较好。

6 小结

设计与制作了一套在复杂电磁环境下工作的超长LED显示屏，系统工作稳定、正常，其动态特性、电磁干扰等指标符合设计要求，并且性价比高，对超长显示屏的实现以及其在复杂电磁环境下的电磁兼容性进行了有成效的研究。显示屏技术及电磁兼容理论不断发展，有很多相关的技术问题还有待进一步研究，如电磁兼容模型、电磁兼容预测、超长冷媒显示屏在复杂电磁环境下的应用等。