【正文】 LED點陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計方案第1章 緒論 課題背景 選題背景LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬到幾十萬個半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點[1]。在短短的十來年中，LED點陣顯示屏就以亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、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(yīng)用涉及社會經(jīng)濟的許多領(lǐng)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(dǎo)信息顯示、體育場館信息顯示、道路交通信息顯示、調(diào)度指揮中心信息顯示、郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示、廣告媒體新產(chǎn)品等。 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（1）我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)歷了多年的發(fā)展,我國LED產(chǎn)業(yè)已從購買芯片、外延片生產(chǎn)應(yīng)用產(chǎn)品，逐步發(fā)展到自主生產(chǎn)外延片和芯片的階段,并且已具備一定技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。初步形成從外延片生產(chǎn)、芯片制備到器件封裝、集成應(yīng)用等比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。我國上游產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，一是參與單位多，主要單位有中科院半導(dǎo)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(xué)、清華大學(xué)、南昌大學(xué)和一些企業(yè)；但是這些參與單位都想建立自己產(chǎn)能，起始階段產(chǎn)能都不大，整個產(chǎn)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(chǎn)能，在技術(shù)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(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈的某一環(huán)節(jié)，整體上產(chǎn)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(shù)都在突破，但產(chǎn)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(zhì)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)?；a(chǎn)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(jīng)過多年的發(fā)展,我國LED顯示屏廠商已經(jīng)具有了很強的實力，雖然擁有DAK、L ighthouse、Darco等知名顯示屏廠商的競爭，但國內(nèi)LED顯示屏廠商還是占據(jù)了國內(nèi)市場的大部分份額，國內(nèi)已經(jīng)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(nèi)顯示屏市場吸收了很大一部分芯片產(chǎn)能，對促進國內(nèi)上中游發(fā)展壯大起了重要作用。國內(nèi)生產(chǎn)的顯示屏、景觀照明燈具等LED應(yīng)用產(chǎn)品已經(jīng)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(chǎn)業(yè)全球分工來看，在LED上游外延片、芯片生產(chǎn)上，美國、日本、歐盟仍擁有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，中國臺灣已經(jīng)成為全球重要的LED生產(chǎn)基地。目前全球形成了以日、美、德為產(chǎn)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(chǎn)技術(shù)上距離國際先進水平還有一定的差距，但是國內(nèi)龐大的應(yīng)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的機遇?，F(xiàn)代信息社會中，作為人一機信息視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術(shù)得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)是平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀(jì)平板顯示的代表性主流產(chǎn)品。高亮度、全彩化藍色及純綠色LED產(chǎn)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(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化。使LED全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快。LED產(chǎn)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(yù)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(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色LED顯示屏的廣泛應(yīng)用會是LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。未來LED顯示屏?xí)蛑鴺?biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展[2]。（3） 選題意義 該設(shè)計課題使我們能夠掌握LED顯示屏的基本顯示原理和設(shè)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(xué)期間所學(xué)習(xí)的一些理論進行了實踐，使我們對所學(xué)過的理論知識有了新的認識。并且通過該設(shè)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(guān)行業(yè)的工作積累了實際工作經(jīng)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(guān)的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應(yīng)該清楚的認識到我國的LED技術(shù)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(shù)的發(fā)展都有非?，F(xiàn)實與積極的意義。 論文主要內(nèi)容針對設(shè)計題目的特點，作者對論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排：（1） 初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計思想和設(shè)計方法擬定幾套設(shè)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，外加譯碼電路和驅(qū)動電路的設(shè)計方案。（2）方案實現(xiàn)以設(shè)計方案為指導(dǎo)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(jīng)過對比選擇選定AT89S51單片機為核心控制器件，由串并轉(zhuǎn)換器74LS164和鎖存器74LS373為譯碼電路器件，三極管8550和ULN2803為驅(qū)動電路器件。論文列出了詳細的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。（3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點和設(shè)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(diào)試，最后將獨立的模塊整合起來。（4）結(jié)論 設(shè)計完成后對設(shè)計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓(xùn)、以及自己的想法進行總結(jié)。第2章 方案論證與選擇 系統(tǒng)硬件方案大多數(shù)的LED顯示屏都在戶外，所以對硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修和維護硬件電路設(shè)計時常常采用模塊化的設(shè)計方法。硬件的設(shè)計采用模塊化設(shè)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(jù)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(nèi)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(nèi)容和顯示方式[3]。通信部分控制部分顯示部分圖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(shù)據(jù)和控制指令處理后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計方法有單片機、DSP、及EDA技術(shù)。幾種設(shè)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(shù)，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(qū)動，函數(shù)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μA ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地[4]。（2）DSP 芯片DSP 又叫數(shù)字信號處理器。顧名思義，DSP主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)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(shè)備等領(lǐng)域，DSP具有修正的哈佛結(jié)構(gòu)，多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時進行，以及流水線技術(shù)，這使得速度有了較大的提高。DSP區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)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[5]。（3）EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)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(shè)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(biāo)芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)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(shè)計結(jié)果,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)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(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設(shè)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有MCS5AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機學(xué)習(xí)的教材。且51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各I/O口均置高電平）。當(dāng)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(shè)計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。計算機數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是一位一位按順序進行的，而計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計算機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計算機中。這種轉(zhuǎn)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(dān)，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(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個串行口[6]。 綜上所述，題目設(shè)計已經(jīng)選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的UART已經(jīng)集成在單片機內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。 LED點陣顯示屏顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機的I/O口有限要不能直接用I/O口來驅(qū)動LED顯示屏，所以需要對單片機IO口進行擴展增加單片機并行輸出的能力。LED顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的LED顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。構(gòu)成LED屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起來，如圖22所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的LED點陣子模塊構(gòu)成大的LED點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有81616幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點在于當(dāng)單個的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點在于連接線路復(fù)雜；而點陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過當(dāng)一個LED出現(xiàn)問題時同在一個模塊的所有LED都必須被更換。這就加大了維修的成本。兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個LED點陣顯示屏。為了避免模塊的缺點，選擇點陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險。所以構(gòu)建一個1616的LED點陣屏選用四塊88點陣模塊。圖 22 LED點陣圖一個1616的LED顯示屏行和列各有16支引腳，不能單靠51單片機的端口驅(qū)動所以必須要對單片機的端口個數(shù)進行擴展。經(jīng)常采用的端口擴展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有74LS154（4線16線譯碼器）、74LS164（8位串并轉(zhuǎn)換器）、74HC595等。51系列單片機端口低電平時，吸入電流可達20mA，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十μA甚至更小（電流實際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機不能直接驅(qū)動LED顯示屏顯示。在單片機和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動電路[7]。 硬件設(shè)計方案最終方案如圖23所示，以單片機機作為核心控制器件存儲和處理顯示內(nèi)容，用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)，單片機根據(jù)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴展后驅(qū)動4塊88LED點陣模塊構(gòu)成的1616的LED點陣顯示屏。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計。串行通信單片機譯碼電路顯示驅(qū)動電路1616LED顯示屏圖23 硬件設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件方案軟件的設(shè)計除了滿足設(shè)計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖24所示。靜態(tài)顯示程序主程序控制程序特效顯示程序通信程序