【正文】 著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。 LED 顯示屏的應用涉及社會經濟的許多領域，主要包括證券交易、金融信息顯示 、 機場航班動態(tài)信息顯示 、 港口、車站旅客引導信息顯示 、 體育場館信息顯示 、 道路交通信息顯示 、 調度指揮中心信息顯示 、 郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業(yè)務宣傳及信息顯示 、 廣告媒體新產品等。 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1. 我國 LED 產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 經歷了多年的發(fā)展 ,我國 LED 產業(yè)已從購買芯片、外延片生產應用產品，逐步發(fā)展到自主生產外延片和芯片的階段，并且已具備一定技術和產業(yè)基礎。初步形成從外延片生產、芯片制備到器件封裝、集成應用等比較完整的產業(yè)鏈。我國上游產業(yè)的現(xiàn)狀，一是參與單位多，主要單位有中科院半導體所、中科院物理所、電子工業(yè)集團第十三電子研究所、北京大學、清華大學、南昌大學和一些企業(yè)；但是這些參與單位都想建立自己產能，起始階段產能都不大，整個產業(yè)看起來資源分散，沒有規(guī)模；而且科研院所都想建立自己的產能，在技術輸出上排外，而實際上各科研單位某一時間突破的可能僅是 產業(yè)技術鏈的某一環(huán)節(jié)，整體上產業(yè)化條件還不具備，這樣雖然每年看起來各個方面的技術都在突破，但產業(yè)化效率非常低；二是與國際先進水平比較 ,整體上一般芯片的亮度、發(fā)光效率、抗靜電能力、抗漏電能力以及品質控制水平與國際廠家仍有差距。三是能滿足市場需要且規(guī)模化生產的企業(yè)少，封裝所需芯片尤其高檔芯片主要靠進口。 值得一提的是經過多年的發(fā)展，我國 LED 顯示屏廠商已經具有了很強的實力，雖然擁有 DAK、 Lighthouse、 Darco 等知名顯示屏廠商的競爭，但國內 LED 顯示屏廠商還是占據了國內市場的大部分份額，國內已經涌現(xiàn)了 一批如上海三思、北京利亞德、西安 青松等優(yōu)秀企業(yè)，國內顯示屏市場吸收了很大一部分芯片產能，對促進國內上中游發(fā)展壯大起了重要作用。國內生產的顯示屏、景觀照明燈具等 LED 應用產品已經出口到美國、歐盟等國家和地區(qū)。 2. LED 顯示屏的發(fā)展 前景 從 LED 產業(yè)全球分工來看，在 LED 上游外延片、芯片生產上，美國、日本、歐盟仍擁有巨大的技術優(yōu)勢，中國臺灣已經成為全球重要的 LED 生產基地。目前全球形成了以日、美、德為產業(yè)龍頭，中國臺灣、韓國緊跟其后，中國大陸、馬來西亞等國家和地區(qū)積極跟進的梯隊分布。雖然中國在 LED 外延片、 芯片的生產技術上距離國際先進水平還有一定的差距，但是國內龐大的應用需求給 LED 下游廠商帶來巨大的發(fā)展機會，這為我國 LED 產業(yè)的發(fā)展提供了良好的機遇。 現(xiàn)代信息社會中，作為人 機信息視覺傳播媒體的顯示產品和技術得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀的顯示技術是平板顯示的時代， LED 顯示屏作為平板顯示的主導產品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀平板顯示的代表性主流產品。高亮度、全彩化藍色及純綠色 LED 產品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件 、 基礎材料的產業(yè)化。使 LED 全彩色顯示產品成本下降，應 用加快。 LED 產品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色 LED 顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產品，體育場館的顯示方面全彩色 LED 屏更會成為主流產品。全彩色 LED 顯示屏的廣泛應用會是 LED 顯示屏產業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。 未來 LED 顯示屏會向著標準化、規(guī)范化，產品結構多樣化的方向發(fā)展。 3. 選題意義 該設計課題使我們能夠掌握 LED 顯示屏 的基本顯示原理和設計方法，對 LED 顯示屏這個行業(yè)有了較為深刻的了解和認識。并且對大學期間所學習的一些理論進行了實踐，使我們對所學過的理論知識有了新的認識。并且通過該設計課題掌握了 51單片機的的軟硬件開發(fā)工具的使用方法，為以后從事相關行業(yè)的工作積累了實際工作經驗。目前我國的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的 LED 顯示屏的作用也越練越廣泛，相關的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應該清楚的認識到我國的 LED 技術雖然發(fā)展迅速但和世界先進水平還有一定的差距。因此此課題不論是對自己的就業(yè)還是對我國LED 顯示技術的發(fā) 展都有非常現(xiàn)實與積極的意義。 論文主要內容 針對設計題目的特點，作者對論文的內容和結構將做如下安排： 1. 初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關資料，并參照目前通用的設計思想和設計方法擬定幾套設計方案進行分析比較。最終選定了以單片機為核心控制器件，外 加行驅動 電路和 列 驅動電路的設計方案。 2. 方案實現(xiàn) 以設計方案為指導思想選擇合適的器件來實現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。經過對比選擇選定 STC89S52RC 單片機為核心控制器件，由 74LS154和 SDM495為 行驅動電路 器件， 74HC595為 列 驅動電路器件。論文列出了詳細的器件參數和在系統(tǒng)中的連接使用方法。 3. 軟件編寫 根據硬件特點和設計要求，軟件選用 C 語言編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、通信等幾個功能上相對獨立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個編寫和調試，最后將獨立的模塊整合起來。 4. 結論 設計完成后對設計中所遇到的問題、經驗教訓、以及自己的想法進行總結。 第二章 方案論證與選擇 系統(tǒng)硬件方案 大多數的 LED 顯示屏都在戶外，所以對硬件的質量要求非常的高。為方便檢修和維護硬件電路設計時常常采 用模塊化的設計方法。硬件的設計采用模塊化設計，既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。如圖 21所示，根據顯示系統(tǒng)的功能特點確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)三部分組成。單片機通過通信部分發(fā)送控制指令和顯示內容代碼，執(zhí)行顯示指令并將顯示代碼處理后控制顯示部分的顯示內容和顯示方式。 圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 顯示屏主控制器 控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為發(fā)送數據和控制指令處理后控制顯示部分顯示內容。其常用的電子設 計方法有單片機、 DSP、及 EDA 技術。幾種設計方法比較各有其特點： 1. 單片機 單片機是集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口的微型計算機。它有很強的接口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器 (MCU)。單片機品種齊全 ,型號多樣 CPU 從 8，16， 32到 64位，多采用 RISC 技術，片上 I/O 非常豐富，有的單片機集成有 A/ D，“ 看門狗”， PWM，顯示驅動，函數發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機還具有低電壓和低功耗的特點。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā) 展， NMOS 工藝單片機被 CMOS 代替，并開始向 HMOS 過渡。供電電壓由 5V 降到 3V， 2V甚至到 1V，工作電流由 mA 降至μ A ，這在便攜式產品中大有用武之地。 2. DSP 芯片 DSP 又叫數字信號處理器。顧名思義， DSP 主要用于數字信號處理領域，非常適合高密度，重復運算及大數據容量的信號處理?，F(xiàn)在已經廣泛應用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設備等領域， DSP 具有修正的哈佛結構，多總線技術以及流水線結構。將程序與數據存儲器分開，使用多總線，取指令和取數據同時進行，以及流水線技 術，這使得速度有了較大的提高。 DSP 區(qū)別于一般微通信部分 控制部分 顯示部分 處理器的另一重要標志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現(xiàn)乘法，逐條執(zhí)行指令，速度慢。而 DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專門的信號處理指令，如 TM320 系列的 FIRS ， LMS， MACD 指令等。 3. EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設計自動化，它是以計算機為工具，在 EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言 HDL 完成的設計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局 布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設計者只需用 HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述，借助 EDA 工具就可得到設計結果，將編譯后的代碼下載到目標芯片就可在硬件上實現(xiàn)。由于 FPGA/CPLD 可以通過軟件編程對該硬件的結構和工作方式進行重構，修改軟件程序就相當于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設計方案，而且可以多個人分工并行工作這樣便縮短了開發(fā)周期和上市時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機。而且 MCU 和 DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應用領域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP 器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。 三種設計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠實現(xiàn)控制功能，但單片機的技術門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學者進行學習和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中應用最廣泛的單片機首推 Intel 的 51系列，由于產品硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機學習的教材。且 51系列的 I/O 腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設置為高電平（復位時，各 I/O 口均置高電平）。當該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定 51系列單片機作為控制部分的核心器件。 通信系統(tǒng) 通信部分要滿足的設計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。計算機數據通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。 1. 并行通信 并行通信時數據的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。 2. 串行通信 串行通信數據是一位一位順 序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數據是一位一位按順序進行的，而計算機內部的數據是并行的。因此，當計算機向外發(fā)送數據時，必須將并行數據轉換為串行數據再發(fā)送。反之，又必須將串行數據轉換為并行數據輸入計算機中。這種轉換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。單由軟件實現(xiàn)會增加CPU 負擔，降低其利用率，故目前常采用硬件實現(xiàn)。通用的通用異步接收 /發(fā)送器，簡稱 UART（ Universal Asynchromous Receeiver Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。在單片機芯片中， UART 已經集成在其中，作為其組成部分，構成一個串行口。 綜上所述，題目設計已經選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的 UART 已經集成在單片機內，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。 硬件設計方案 最終方案如圖 22所示，以單片機機作為核心控制器件存儲和處理顯示內容，用串行通信的方式將顯示內容和控制指令傳輸到單片機系統(tǒng)，單片機根據傳輸來的內容和指令通過端口譯碼擴展后驅動 16塊 8 8LED 點陣模塊構成的 16 64的 LED 點陣顯示屏。題目將以此方 案為指導思想展開具體的硬件電路設計。 圖 22 硬件設計方案 系統(tǒng)軟件方案 軟件的設計除了滿足設計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設計目標和硬件總體結構確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種特效顯示子程序，通信程序三個主要部分組成。具體結構如圖 23所示。 串行通信 單片機 譯碼電路 顯示驅動電路 16 64LED顯示屏 圖 23 軟件功能結構框圖 軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片 機中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語言以及配套的編輯器和編譯軟件。最后還要選擇一款與所選單片機的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí)行。 單片機編程語言 現(xiàn)在主要運用的單片機編程語言為匯編語言和 C 語言。兩種語言相比較各有優(yōu)點。 匯編語言 (Assembly Language)是面向機器的程序設計語言，是一種功能很強的程序設計語言，也是利用計算機所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。其具有執(zhí)行速度快，占內存空間少等優(yōu)點，但在編寫復雜程序時具有明顯的局限性，匯編語言依賴于具體的機型，不 能通用，也不能在不同機型之間移植。 C 語言是一種源于編寫 UNIX 操作系統(tǒng)的語言，它是一種結構化語言，可產生壓縮代碼。 C 語言結構是以括號 { }而不是子和特殊符號的語言。 C 可以進行許多機器級函數控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點：對單片機的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對 51的存儲器結構有初步了解；寄存器分配、不同存儲器的尋址及數據類型等細節(jié)可由編譯器管理；程序有