【正文】 D 顯示屏的關(guān)鍵控制技術(shù)隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展而日趨完善，LED 顯示屏與LCD、PDP 等同類平板顯示屏產(chǎn)品比較，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、產(chǎn)品質(zhì)量不斷的提高，給LED 市場增光添彩。 課題背景簡介本設(shè)計是結(jié)合自己在學(xué)校學(xué)習(xí)所掌握的理論基礎(chǔ)知識，結(jié)合本設(shè)計相關(guān)的一些資料準(zhǔn)備，經(jīng)過查詢相關(guān)書籍和雜志，掌握基本原理然后分模塊設(shè)計，之后在電腦上用Proteus軟件進行仿真測試，已證實設(shè)計的可行性。通過成功仿真，用PROTEL畫出PCB,然后去采購設(shè)計所需的芯片，制作出成品。第2章 顯示原理及控制方式 LED點陣顯示屏模塊LED點陣顯示屏模塊，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。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5*5*8*16*16等等。下圖為本設(shè)計使用的單紅色8*8LED點陣顯示屏模塊()及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖()。 點陣顯示屏模塊 點陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖 LED點陣顯示方式LED陣列的顯示采用掃描的方式，首先將所要顯示的文字按照每行拆解成多組顯示信號，對于一個8*8LED陣列而言，若要顯示“公”，則可將各行顯示數(shù)據(jù)列出： 文字編碼 各列數(shù)據(jù)掃描順序顯示數(shù)據(jù)(二進制)顯示數(shù)據(jù)(16進制)第1行00001000B0x08第2行00100100B0x24第3行01010010B0x52第4行01001000B0x48第5行01000001B0x41第6行00100010B0x22第7行01000100B0x44第8行00001000B0x08LED陣列的顯示方式就是按顯示數(shù)據(jù)編碼的順序，一行一行地顯示。以高態(tài)掃描為例，若要顯示第一行，則先將第一行的顯示數(shù)據(jù)(00001000)送至LED陣列的列引腳，再將“10000000”掃描信號送至LED陣列的行引腳，即可顯示第一行，此時其他行并不顯示。同樣地，若要顯示第二行，則先將第二行的顯示數(shù)據(jù)(00100100)送至LED陣列的列引腳，再將“01000000”掃描信號送至LED陣列的列引腳，即可顯示第二行，此時其他行并不顯示……以此類推，第一條掃描線掃描信號：10000000顯示信號：00001000第二條掃描線掃描信號：01000000顯示信號：00100100第三條掃描線掃描信號：00100000顯示信號：01010010第四條掃描線掃描信號：00010000顯示信號：01001000第五條掃描線掃描信號：00001000顯示信號：01001001第六條掃描線掃描信號：00000100顯示信號：00100010第七條掃描線掃描信號：00000010顯示信號：01000100第八條掃描線掃描信號：00000001顯示信號：00001000 各條掃描線如果按照上表的顯示順序進行顯示，每行的顯示時間約4毫秒，由于人類視覺瞬時現(xiàn)象，將感覺到8行LED同時顯示的樣子。若時間太短，則亮度不夠；若時間太長，則會感覺到閃爍[2]。 數(shù)據(jù)掃描 LED常見的控制方式分析隨著廣告屏顯示內(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。因此控制器的種類也在不斷發(fā)展以適應(yīng)要求，從最初的8051單片機，到PIC單片機，又到FPGA，直到現(xiàn)在的ARM處理器。不同功能檔次的廣告屏對應(yīng)著不同的處理器。因受到單片機運算速度及通信速率的限制，LED動態(tài)顯示的刷新率不可能做得太高。對顯示效果和移動算法的處理也比較吃力，在實際顯示效果上有比較明顯的閃爍感。除此之外，傳統(tǒng)8051單片機的內(nèi)部資源貧乏，僅128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，幾K字節(jié)的程序存儲器，無E2PROM，SPI。這就需要對單片機擴展外設(shè)，無疑增加了硬件成本。因此，8051控制的條屏只能用于顯示內(nèi)容及其簡單，不需要經(jīng)常更改顯示內(nèi)容的場合。因PIC單片機是RISC架構(gòu)的工業(yè)專用單片機，處理指令的速度有所增加，抗干擾能力優(yōu)秀，型號種類繁多。作為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果，同時PIC單片機內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設(shè)計難度，同時降低了硬件成本。因此，以PIC單片機為控制器的條屏目前仍是單色條屏市場的主流。（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。（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。第3章 總體方案設(shè)計與分析 顯示單元顯示一個簡體漢字，至少需要16*16點陣來描述。本設(shè)計采用4個8*8點陣，*16點陣的LED陣列。本設(shè)計要求整個屏幕能同時顯示2個漢字，則至少需要用8個8*8的LED模塊拼接成32*16的矩陣。 滾屏的實現(xiàn)字符的位置在屏幕上實現(xiàn)移動，即術(shù)語“滾屏”?？梢杂糜布崿F(xiàn)，但無疑增加了額外的硬件成本及設(shè)計難度。因此本設(shè)計采用軟件算法實現(xiàn)左滾屏、左鋪幕、靜止顯示等常見滾屏方式。用軟件來完成滾屏算法，其最大的優(yōu)點在于成本低廉，而且可維護性、可升級性大大增強。 主控芯片的考慮因本設(shè)計采用軟件來實現(xiàn)滾屏，且傳輸方式為串行方式。所以對微控制器單元的處理速度要求較高，可供選擇的有ARM7和高速8位單片機。ARM的處理速度極快，但對于條屏的應(yīng)用，ARM內(nèi)部的資源浪費嚴(yán)重，且成本較高。因此選擇高速8位單片機作為控制器，由于考慮到價格等因素，所以選用接口比較豐富的89C52作為主控芯片。 關(guān)于現(xiàn)實內(nèi)容的更新目前常用的下載方式有串口下載、USB下載、無線下載等?？紤]到本設(shè)計的上、下位機進行一次通信時的數(shù)據(jù)量不大，而且對通信的速度及可靠性要求并不嚴(yán)格。因此本設(shè)計采用PC機串口來作為下載接口，PC機串口為RS232C標(biāo)準(zhǔn)，其特點是共模傳輸，因此通信電纜可以是成本低廉的普通雙絞線，同軸屏蔽線等。PC機串口的驅(qū)動程序編寫較為簡單，不需要掌握復(fù)雜的通信協(xié)議。 總體電路結(jié)構(gòu)及工作原理 硬件電路框圖 通過對上面對各種方案分析與比較，32*16LED顯示屏行驅(qū)動電路列掃描電路AT89C52電源電平轉(zhuǎn)換PC控制 硬件電路框圖 工作原理，要顯示一個完整的漢字需要一個16*16的LED點陣顯示屏，這就需要4塊8*8的LED點陣顯示屏進行級聯(lián)。一個漢字的每一列由高八位和低八位組成，這就要用單片機的兩個I/O口來傳送數(shù)據(jù)，由于AT89C52的I/O并不能提供LED點陣屏所需要的電流，所以在設(shè)計時加了對應(yīng)的兩組行驅(qū)動電路。而列掃描則使用能提供32列信號掃描的芯片。由于要控制顯示的內(nèi)容，所以要進行數(shù)據(jù)傳輸，而單片機的信號電平為TTL電平，所以要進行數(shù)據(jù)傳輸就要進行電平轉(zhuǎn)換。由上位機傳送顯示數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換就可以將信號電平傳遞到單片機，然后完成顯示數(shù)據(jù)。第4章 硬件電路設(shè)計 LED點陣模塊的選擇本顯示屏采用列掃描、直接送行顯示碼的方式工作，分辨率為32*16的顯示屏由8個共陽型LED點陣單元構(gòu)成。共陽型LED點陣單元的每個LED點陣由行輸入高電平列為低電平從而點亮該顯示單元。*8LED顯示屏的參數(shù)。要顯示一個完整的漢字需要一個16*16的LED顯示屏，這就需要同時向每列傳送16個數(shù)據(jù)，為此我設(shè)計的電路是通過單片機的P0口和P2口進行傳送數(shù)據(jù)的，PO和P2口剛好可以為本次設(shè)計提供16個I/O口，因為點亮一個LED需要通過列選通才能點亮，所以這16個I/O口可以提供總共32列的LED顯示屏進行數(shù)據(jù)顯示，只要在選通該列的時候傳輸所需要的數(shù)據(jù)點亮該列即可，由于刷新速率較快，而人眼又具有視覺暫留，所以可以感覺到整屏點亮。而列選通則需要32個接口進行控制。所以8塊8*8的LED顯示屏的連接是P0口的0口到7口同時連接4塊LED顯示屏的第一行到第八行，P2口的0口到7口連接另外4塊LED顯示屏的第一行到第八行，這樣就可以同時控制整個屏幕的第一行到第十六行，而第一列到第三十二列的控制則由前兩塊LED顯示屏的第一列相連直到第八列，以此類推直到最后一列，這樣就可以組成32*16的LED點陣顯示屏。*8LED點陣屏的級聯(lián)成32*26點陣屏的原理圖。 LED點陣級聯(lián)圖 行驅(qū)動電路由于單片機等CPU的數(shù)據(jù)／地址／控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，而本次設(shè)計中點亮32*16的LED顯示屏已經(jīng)超過其負(fù)載能力，所以為了得到較好的顯示效果，應(yīng)該加驅(qū)動器。市面上有多種驅(qū)動電路，從價格、原理等多方面的考慮，決定行驅(qū)動電路使用兩片74HC245，這是比較常用的驅(qū)動芯片，屬于總線驅(qū)動器，典型的TTL型三態(tài)緩沖門電路。 下圖為74HC245的邏輯圖()和引腳圖()。 74HC245邏輯圖 74HC245的引腳圖下面說明各引腳的定義及功能，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用，DIR=“1”高電平時信號由“A”端輸入“B”端輸出，DIR=“0”低電平時信號由“B”端輸入“A”端輸出。~9腳“A”信號輸入輸出端，A1=B、A8=B8，A1與B1是一組，如果DIR=“1”O(jiān)E=“0”則A1輸入B1輸出，其它類同。如果DIR=“0”O(jiān)E=“0”則B1輸入A1輸出，其它類同。~18腳“B”信號輸入輸出端，功能與“A”端一樣，不在描述。，使能端，若該腳為“1”A/B端的信號將不導(dǎo)通，只有為“0”時A/B端才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)的作用。，電源地。 ，電源正極。74HC245的真值表如下 74HC245的真值表Control Inputs控制輸入Operation 運行GDIRLLB數(shù)據(jù)到A總線LHA數(shù)據(jù)到B總線HX隔開H=高電平，L=低電平，X=不定在本設(shè)計中，當(dāng)DIR接高電平時，A端為輸入、B端為輸出。行驅(qū)動電路連接100歐姆的限流電阻，如下圖所示。 行驅(qū)動電路 列掃描電路列掃描電路由于要向32*16的LED點陣傳送信號，所以需要提供32個列信號，在這里則是利用了兩片416線譯碼器74LS154，分別對應(yīng)左、右屏。A、B、C、D為輸入、Y0~Y15為輸出。此外，還有兩根線分別使能左、右屏譯碼器，也就是使能左、右屏。片選為低電平使能。下圖為74LS154的邏輯圖()和引腳圖()。 74LS154的邏輯圖 74LS154的引腳圖下面介紹各引腳定義。111，1317 ：輸出端。(outputs (active LOW)) 12：GND電源地(ground (0 V))1819：使能輸入端 (enable inputs (active LOW)) 2023地址輸入端 (address inputs) 24：VCC電源正 (positive supply voltage)74LS154的真值表如下圖所示。 74LS154的真值表在本次設(shè)計中，74ls154的輸出接了32只PNP型三極管，在這里起到開關(guān)的作用。通過控制輸出來使得在任何時刻只有唯一的列導(dǎo)通以點亮該列，當(dāng)列切換的速度足夠快時，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，看上去整個屏都是亮的，下圖為本次設(shè)計的列掃描電路圖。 列掃描電路 串口通訊在工業(yè)自動控制，智能產(chǎn)品中，單片機應(yīng)用越來越廣泛，同時也需要對數(shù)據(jù)進行較復(fù)雜的處理，由于單片機的運算能力較差，在處理復(fù)雜數(shù)據(jù)時速度較慢，所以需要借助計算機進行運算。因此，單片機與PC間的通信便顯得非常重要。大多數(shù)的計算機都具有RS232C接口，盡管它的性能指標(biāo)并非很好。在廣泛的市場支持下依然長盛不衰。就是用而言，RS232也確實有其優(yōu)勢：僅需3根線便可在兩個數(shù)字設(shè)備之間全雙工傳送數(shù)據(jù)。不過，RS232的控制要比使用并行通信的打印機接口難于控制。RS232C使用了遠(yuǎn)比并行口更多的寄存器。這些寄存器用來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送及RS232C設(shè)備之間的握手與流量控制。 RS232總線標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)以RS232C為主。RS232C標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA與BELL等公司一起開發(fā)的，它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0~20000bit/s范圍內(nèi)的通信。RS232C還對電器特性，邏輯電平和各種信號線功能都做了規(guī)定。RS232C使用3V~ 25V表示數(shù)字“1”，使用3~25V表示數(shù)字“0”，RS232C在空閑時處于邏輯“1”狀態(tài)。在開始傳送時，首先產(chǎn)生一個起始位，起始位為一個寬度的邏輯“0”，緊隨其后的為要傳送的數(shù)據(jù)，所要傳送的數(shù)據(jù)由最低位開始送出，最后以一個結(jié)束位標(biāo)志表示該字節(jié)傳送完畢，結(jié)束位為一個寬度的邏輯“1”。 RS232C接口電路由于RS232C信號與MSC51單片機信號電平不一致(前者為RS232電平，后者為TTL電平)，因此，采用RS232C與單片機通信時必須要進行信號電平轉(zhuǎn)換。目前，RS23C與TTL電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片有MAX232,MC1488等，本設(shè)計采用MAX232進行電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路,使用+5v單電源供電。下圖為MAX232的外部引腳()和內(nèi)部電路()。 MAX232的外部引腳 MAX232的內(nèi)部電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：第一