【正文】 顯示的主流產(chǎn)品，以其明顯優(yōu)越于背投、等離子、液晶顯示及電視屏幕的性能而在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如體育場館、大型展覽館、市政廣場、演唱會、車站、機(jī)場等場所 [6]。尤其是以其高亮度，大面積顯示而讓更多人在戶外也感受到信息時代的來臨。顯示信息無處不在。據(jù)業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，今后幾年全球各類 LED 顯示屏需求每年均達(dá)到幾十億美元，且還在逐年遞增。國際大都市如紐約、巴黎、 倫敦都普遍使用大型 LED全彩顯示屏作為信息傳播、廣告宣傳的新型載體。在中國，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各類場館的興建和市政工程改造項目的興起，國內(nèi)市場LED 顯示屏需求增 長 率更是高達(dá) 30％以上。 按每年 30%的增長速度，LED 顯示屏的市 場規(guī) 模將會不斷的壯大，由于 LED 產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、壽命較長、功耗 較小以及價格低廉等優(yōu)勢，因此在各種實際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的市場競爭力，市場前景十分廣闊。2 LED 顯示原理的分析 LED 點陣模塊結(jié)構(gòu)八十年代以來出現(xiàn)了組合型 LED 點陣顯示器模塊，以發(fā)光二極管為像素，它用高亮度發(fā)光二極管芯陣列組合后，環(huán)氧樹脂和塑模封裝而成 [7]。這種一體化封裝的點陣 LED 模塊，具有高亮度、引腳少、視角大、壽命長、耐濕、耐冷 熱、耐腐蝕等特點。 LED 點陣規(guī)模常見的有 445581616 等等。根據(jù)像素顏色的數(shù)目可分為單色、雙基色、三基色等。像素顏色4 / 47不同，所顯示的文字、圖像等內(nèi)容的顏色也不同。單色點陣只能顯示固定色彩如紅、綠、黃等單色，雙基色和三基色點陣顯示內(nèi)容的顏色由像素內(nèi)不同顏色發(fā)光二極管點亮組合方式?jīng)Q定，如紅綠都亮?xí)r可顯示黃色，如果按照脈沖方式控制二極管的點亮?xí)r間，則可實現(xiàn) 256 或更高級灰度顯示，即可實現(xiàn)真彩色顯示 [8]。本系統(tǒng)所使用的 88 單色 LED 點陣顯示器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和外形規(guī)格如圖 所示，其它型號點陣的結(jié)構(gòu)與引腳可試驗獲得。圖 88 單色 LED 模塊內(nèi)部電路LED 點陣顯 示器單塊 使用時，既可代替數(shù)碼管顯示數(shù)字，也可顯示各種中西文字及符號。如 5x7 點陣顯示器用于顯示西文字母，58 點陣顯 示器用于顯 示中西文，8x8 點陣可以用于顯示簡單的中文文字，也可用于簡單圖形顯示。用多塊點陣顯示器組合則可構(gòu)成大屏幕顯示器，但 這類大屏幕顯示方法常通過 PC 機(jī)或單片機(jī)控制驅(qū)動。 LED 動態(tài)顯示原理LED 點陣顯 示系統(tǒng)中各模 塊的顯示方式:有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯 示原理簡單、控制方便，但硬件接線復(fù)雜，在實際應(yīng)用中一般采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示采用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖電壓驅(qū)動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進(jìn)行選通，同5 / 47時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數(shù)據(jù)信號，反復(fù)循環(huán)以上操作，就可以顯示各種圖形或文字信息。點陣式 LED 漢字廣告屏 絕大部分是采用動態(tài)掃描顯示方式，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于 24 幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面 [9]。最典型的例子就是電 影放映機(jī)。在電子領(lǐng)域中，因為這 種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(shù)量，便于 PBC 的布局 難度促 進(jìn)工廠批量生產(chǎn)，因此在 LED 顯示技術(shù)中被廣泛使用。以 88 點陣 模塊為例， 說明一下其使用方法及控制過程。紅色水平線 Y0、Y1……Y7 叫做行 線，接內(nèi)部發(fā)光二極管的陽極，每一行 8個 LED 的陽極都接在本行的行線上。相鄰兩行 線間絕緣。同 樣，紅色豎直線 X0、X1……X7 叫做列線，接內(nèi)部每列 8 個 LED 的陰極，相鄰兩列線間絕緣。在這種形式的 LED 點 陣模塊中，若在某行線上施加高電平（用“1”表示），在某列線上施加低電平（用“0”表示）。則行線和列線的交叉點處的 LED 就會有電 流流過而發(fā)光。比如，Y7 為 1，X0 為 0,則右下角的 LED 點亮。再如 Y0 為 1，X0 到 X7 均為 0，則最上面一行 8 個LED 全點亮?，F(xiàn)描述一下用動態(tài)掃描顯示的方式，顯示字符“9”的過程。其過程如圖 所示。6 / 47圖 用動態(tài)掃描顯示字符 9 的過程假設(shè) X,Y 為兩個 8 位 寬的字節(jié)型數(shù)據(jù)， X 的每位對應(yīng) LED 模塊的 8 根列線 X7X0，同 樣 Y 的每位對應(yīng) LED 模塊的 8 根行線 Y7Y0。在這個示例中， Y 叫行掃描線，行掃描線在每個時刻只有一根線為“1” 即有效行選通電 平， X 叫列數(shù)據(jù)線，其內(nèi)容就是點 陣化的字模數(shù)據(jù)的體現(xiàn)。下面用偽代碼描述動態(tài)顯示的過程。（1）．Y=0x01,X=0xFF,如圖 第一行；（2）．Y=0x1C,X=0x02,如圖 第二行；（3）．Y=0x22,X=0x04,如圖 第三行；（4）．Y=0x22,X=0x08,如圖 第四行；（5）．Y=0x1E,X=0x10,如圖 第五行；（6）．Y=0x01,X=0x20,如圖 第六行；（7）．Y=0x04,X=0x04,如圖 第七行；（8）．Y=0x38,X=0x80,如圖 第八行；（9）．跳到第（1）步循環(huán)。 如果高速地進(jìn)行（1）到（9）的循環(huán)，且兩個步驟間的間隔時間小于 1/24 秒，由于視覺暫留。LED 顯示屏上將呈現(xiàn)出一個完整的“9”字符。這就是動態(tài)掃描的原理。只不過實際運用的時候，列線和行線通7 / 47常不止 8 位，還要根據(jù)列線和行線的數(shù)量來決定是用行線或列線來做掃描線。例如 0601 條屏（每行 6 個漢字，共 1 行），行線有 16 根，列線有 96 根 [10]。如果用列線來做掃描線，則每列 LED 在每 96 次循環(huán)掃描中只可能亮一次，則其發(fā)光視覺平均亮度為直流亮度的 1/96。如果用行線來做掃描線，則每 16 次循環(huán)，每行 LED 就能亮一次，其發(fā)光視覺平均亮度為直流情況下的 1/16?？梢?，用行線做掃描線，因為其發(fā)光周期的占空比較大，其視覺亮度是用列線做掃描線的 6 倍。因而發(fā)光效率比前者高。在實際運用的時候，還要在每兩幀之間加上合適的延時，以使人眼能清晰的看見發(fā)光。在幀切換的時候還要加入余輝消除處理。比如先將掃描線全部設(shè)置為無效電平，送下一行的列數(shù)據(jù)后再選通掃描線，避免出現(xiàn)尾影。3 系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)與方案論證 設(shè)計任務(wù)本設(shè)計的任務(wù)要求完成可以控制兼容 T12 和 T08 顯示屏單元板并可擴(kuò)展顯示單元數(shù)目的單色動態(tài)調(diào)幅屏(1)、顯 示區(qū)域：單色顯示 64＊32 點。(2)、通 過上位機(jī)修改顯示內(nèi)容，按鍵可改變顯示內(nèi)容。(3)、能存 儲 16＊16 點陣漢字不少于 64 個。 設(shè)計方案論證 顯示單元模塊的選擇LED 顯示屏 顯示一個 簡單的漢字，至少需要一個 16*16 點陣單8 / 47元來構(gòu)成，根據(jù)發(fā)光點直徑的大小分為 和 5mm 的 LED 點陣模塊。方案一： 的小型 發(fā)光二極管組成的 8*8 的點陣模塊，發(fā)光亮度不足，電流過大時易燒壞，遠(yuǎn)距離觀看視覺效果模糊一般把 的屏作為室內(nèi)屏使用。方案二：5mm 直徑組成的 8*8 點陣模塊，在同 樣的距離內(nèi) 5mm直徑的發(fā)光二極管組成的 8*8 的點陣模塊所發(fā)出的亮度值大約是 單元模塊的一倍，清晰程度也高于 的單元模塊。因此為了在較遠(yuǎn)距離處獲得清晰的視覺效果，本設(shè)計選擇方案二，采用 32 個 88 點 陣單元，像素直徑 5mm 的 LED 模塊拼接成32*64 的 LED 顯示屏。這樣每個 88 漢字能 夠獲得 1616cm 的顯示尺寸，因此在 50 米處仍能清晰閱讀。而本設(shè)計使用是一塊完整的32*64 的點陣屏，能同時顯示 8 個漢字。 主控制器的選擇隨著廣告屏顯示內(nèi)容的多媒體化，對控制器傳輸速度，運算能力的要求越來越高。從單片機(jī)，到 FPGA，直到現(xiàn)在的 ARM 處理器?？刂破鞯姆N類也在不斷發(fā)展以適應(yīng)市場需求,不同功能檔次的廣告屏對應(yīng)著不同的處理器。方案一：以單片機(jī)（STC12C5A60S2 高速單片機(jī)）為控制器的LED 顯示屏。STC12C560S2 單片機(jī)是傳統(tǒng)的 8051 單片機(jī)的升級版，外部時鐘頻率可達(dá)到 80MHZ、60K 的 FLASH 存儲器、1280 字節(jié)的ROM 和 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，擁有 P4 口適合需要多個 I/O 的設(shè)計系統(tǒng)。9 / 47其內(nèi)部資源對于點陣單元模塊確定的條屏 LED 顯示屏，無論從存儲容量還是單片機(jī)的執(zhí)行速度都能很好的適用單元點陣模塊確定的LED 顯示屏方案二：以 FPGA（復(fù)雜可編程邏輯門陣列）為控制器的 LED 顯示屏。FPGA 以高速、并行著稱。是近年來新興的可編程邏輯器件。用他作為 LED 顯示屏的控制器，能 夠高速的處 理色階 PWM 信號、高速的完成動態(tài)掃描邏輯、高速的完成字符移動算法。因此被運用于雙基色、三基色的顯示系統(tǒng)。但是其成本較高，開發(fā)難度較大。方案三：以 ARM（32 位 RISC 架構(gòu)高性能微 處理器）為控制器的LED 顯示屏。ARM 有著極高的指令效率，極高的 時鐘頻率。因此其運算能力非常強(qiáng)大，內(nèi)部資源也十分豐富，極大的簡化了硬件設(shè)計的難度，縮短了開發(fā)周期。在條屏的運用中，能用 ARM 來實現(xiàn)花樣繁多的顯示方式，以及高色階，多像素的全彩屏驅(qū)動。ARM 與 FPGA 的組合更是功能強(qiáng)大，除了海量存儲技術(shù)，無線更新技術(shù)外，還能實時地顯示視頻信號。因此，以 ARM 為控制器的 顯示屏常為視頻全彩屏。經(jīng)過上面方案的比較最終確定選擇方案一，選用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為本次設(shè)計的核心控制器，其內(nèi)部資源豐富、成本比較低廉各項功能均能滿足本設(shè)計的要求。 點陣數(shù)據(jù)存儲方式的選擇目前使用最廣泛的技術(shù)是，通過上位機(jī)軟件將待顯示的字符串轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的點陣字模數(shù)據(jù)，通過燒寫的方式將這些字模數(shù)據(jù)按一定的10 / 47順序編址后存儲在 E2PROM 中。在條屏顯示的 過程中按規(guī)定的方式取出 E2PROM 中的字模數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對于一個 16*16 點陣的漢字字模數(shù)據(jù)，需要連續(xù) 32 字節(jié)的 E2PROM 空 間來存儲。照此計算，若有 256 個需要顯示的字符，則至少需要 32B256=8192 字節(jié)（8KB）的E2PROM 存儲空間。通常的單片機(jī)內(nèi)部沒有集成 這么大容量的E2PROM。因此需要在單片機(jī)外部擴(kuò)展大容量的 E2PROM。方案一：選用 FLASH 存儲器來存儲上位機(jī)發(fā)送過來的漢字編碼，F(xiàn)LASH 存儲器種類多樣，其中最為常用的為 NOR 型和 NAND 型FLASH。通常 NOR 型比 較適合存儲程序代 碼，其隨機(jī)讀寫速度快，容量一般較小，且價格較高，一般只能整塊讀寫數(shù)據(jù)，隨機(jī)存取能力差。它們對 數(shù)據(jù)的存取不是使用線性地址映射，而是通過寄存器的操作串行存取數(shù)據(jù)。FLASH 存儲器的擦除過程相對費時，且擦除流程相對復(fù)雜。方案二：選用 AT24C64 存儲器來存儲漢字編碼，AT24C64 采用的是 I2C 總線接口方式，I 2C 總線是一種用于 IC 器件之間連接的二線制總線。連接 總線的器件的輸出必須是集電極或漏極開路，以具有線“與” 功能。I 2C 總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為 100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達(dá) 400kbit/s。它通過 SDA（串行數(shù)據(jù)線）及 SCL（串行時鐘線 ）兩根線和連在總線上的上位機(jī)進(jìn)行通信，并根據(jù)地址識別每個器件。采用 I2C 總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或 IC 器件，其內(nèi)部不僅有 I2C 接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。11 / 47CPU 不僅能通過指令將某個功能 單元電路掛靠或摘離總線，還可對該單元的工作狀況進(jìn)行檢測，從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)既簡單又靈活的擴(kuò)展與控制。由于本設(shè)計的任務(wù)是需要存儲漢字不少于 64 個，采用 FLASH芯片來存儲漢字編碼，其操作復(fù)雜、成本太高，不適合在本次設(shè)計中采用 FLASH 芯片，因此本設(shè)計采用方案二來存儲上位機(jī)發(fā)送過來的漢字編碼并用尋址讀取數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理分析通過對各種方案的比較與分析，初步構(gòu)建硬件系統(tǒng)框圖如圖 所示。低 8 位行掃描線高 8 位行掃描線行掃描驅(qū)動電路Y 0Y 1 5X0X1X n1 6 位移位寄存器1 6 位移位寄存器1 6 位移位寄存器電源S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2單片機(jī)EEPORM64上位機(jī)RS232電平轉(zhuǎn)換R S 2 3 2 屏蔽線I/O口I/O口通用 I O 口圖 LED 顯示屏系統(tǒng)框圖在圖 中，X 0、X1—Xn 為顯示單元。整個顯示單元由一個32*64 點陣的 LED 模 塊和一個 32 位寬的移位 鎖存器（串行—并行轉(zhuǎn)換器）構(gòu)成。所有顯示單元的 16 根行線均連接到公共的行掃描驅(qū)動電路。而每個顯示單元的列數(shù)據(jù)則由 16 位移位鎖存器并行輸出口提供。12 / 47中央微處理器 MCU 負(fù)責(zé)與所有外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)通信，以及各種算法的處理。MCU 通用 I/O 口來驅(qū)動行掃描驅(qū)動電 路。通用 I/O 口模擬同步串行接口以實現(xiàn)和列數(shù)據(jù)鎖存器（移位鎖存器）之間的單向通信。 工作原理分析單片機(jī)上電復(fù)位后，先從外部存儲器 E2PROM 讀取上次存儲在內(nèi)部的顯示模式，在 32*64 單色屏中上半屏存儲時間、溫度等數(shù)據(jù)。下半屏存儲的是上位機(jī)要傳輸過來的數(shù)據(jù)。進(jìn)入下