【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 著廣告屏顯示內(nèi)容的多媒體化 ，對(duì)控制器傳輸速度，運(yùn)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(jī)，到 PIC 單片機(jī)，又到 FPGA，直到現(xiàn)在的 ARM 處理器。不同功能檔次的廣告屏對(duì)應(yīng)著不同的處理器。 （ 1） 以傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)為控制器的 LED 顯示屏。因受到單片機(jī)運(yùn)算速度及通信速率的限制， LED 動(dòng)態(tài)顯示的刷新率不可能做得太高。對(duì)顯示效果和移動(dòng)算法的處理也比較吃力，在實(shí)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(jī)的內(nèi)部資源貧乏，僅 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，幾 K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，無E2PROM， SPI。這就需要對(duì)單片機(jī)擴(kuò)展外設(shè)，無疑增加了硬件成本。因此， 8051 控圖 21 字符 “B”的過程 圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 8 制的條屏只能用于顯示內(nèi)容及其簡(jiǎn)單，不需要經(jīng)常更改顯示內(nèi)容的場(chǎng)合。 （ 2） 以 PIC 單片機(jī)為控制器的 LED 顯示屏。因 PIC 單片機(jī)是 RISC 架構(gòu)的工業(yè)專用單片機(jī)，處理指令的速度有所增加，抗干擾能力優(yōu)秀，型號(hào)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(shí) PIC 單片機(jī)內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設(shè)計(jì)難度，同時(shí)降低了硬件成本。因此，以 PIC 單片機(jī)為控制器的條屏目前仍是單色條屏市場(chǎng)的主流。 （ 3） 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(hào)、高速的完成動(dòng)態(tài)掃描邏輯、高速的完成字符移動(dòng)算法。因此被運(yùn)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。 （ 4） 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(shí)鐘頻率。因此其運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，內(nèi)部資源也十分豐富，極大的簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)的難度，縮短了開發(fā)周期。在條屏的運(yùn)用中，能用 ARM來實(shí)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(dòng)。 ARM 與 FPGA 的組合更是功能強(qiáng)大，除了海量存儲(chǔ)技術(shù)，無線更新技術(shù)外，還能實(shí)時(shí)地顯示視頻信號(hào)。因此，以 ARM 為控制器的顯示屏常為視頻全彩屏 。 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 9 3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案的選擇 主控單元的選擇 方案一：用可編程控制器 PLC 做主控芯片， PLC 具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算和控制能力，運(yùn)算速度快，但價(jià)格比較高，增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本，且布線麻煩。 方案二：采用 AT89S51 單片機(jī)做主控芯片， AT89S51 單片機(jī)具有價(jià)格低、編程靈活 和布線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，而且支持在線編程，縮短了開發(fā) 周期。 通過以上對(duì)比，本設(shè)計(jì)采用第二種方案。 顯示模塊的選擇 方案一 :采用列掃描， 3*16*16 的點(diǎn)陣模塊要掃描 96 次。而想讓點(diǎn)陣模塊不出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，必須要讓顯示頻率高于 50HZ，也就是說顯示完所有小燈的時(shí)間不長(zhǎng)于20ms,3*16*16 點(diǎn)陣模塊顯示完一次要掃描 96 次，顯示一次需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，因此不宜采用此方案。 方案二：采用行掃描， 3*16*16 的點(diǎn)陣模塊，只需掃描 16 次就可以顯示完一次所需要的時(shí)間比較少，故采用此方案。 驅(qū)動(dòng)電路的選擇 方案一：把行引腳直接接到單片機(jī)的 I/O 口上，但如果 點(diǎn)陣做的比較長(zhǎng)時(shí)，占用I/O 口較多，而且 隨著點(diǎn)陣長(zhǎng)度的增加而增加，所以不宜采用此方案。 方案二：列驅(qū)動(dòng)利用 74HC595 移位寄存器采用串入并出的方法，行驅(qū)動(dòng)利用74HC154 四線十六線譯碼器提供行選通信號(hào)， 74HC245 驅(qū)動(dòng)即可滿足要求。 通過以上對(duì)比，本設(shè)計(jì)采用第二種方案。 根據(jù)本設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的功能要求，該設(shè)計(jì)以 AT89S51 單片機(jī)為控制核心，顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)列驅(qū)動(dòng)器。 [4]由四線十六線譯碼器 74HC154 給出的行選通信號(hào)，從第一行開始，按順序 依次對(duì)各行進(jìn)行掃描（把該行與電源的另一端接通）。另一方面，根據(jù)各列鎖存的數(shù)據(jù)，確定相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器是否將該列與電源的另一端接通。接通的列就在該行該列點(diǎn)亮相應(yīng)的 LED；未接通的列所對(duì)應(yīng)的 LED 熄滅。當(dāng)一行的掃描持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 10 下一行又以同樣的方法進(jìn)行顯示。全部各列都掃描過一遍之后 （一個(gè)掃描周期） ，又從第一行開始下一個(gè)周期掃描。只要一個(gè)掃描周期的時(shí)間比人眼 1／ 25 秒的暫留時(shí)間短，就不容易感覺出閃爍現(xiàn)象，就可以在顯示屏上得到穩(wěn)定的圖形或文字。 該方法能驅(qū)動(dòng)較多的 LED，控制方式靈活，而且節(jié)省單片機(jī)的資源。 顯示數(shù)據(jù)傳 輸采用串行傳輸?shù)姆绞?，控制電路可以只用一根信?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器， 在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但串行傳輸過程較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸給列驅(qū)動(dòng)器，只有當(dāng)一行的列數(shù)據(jù)都已傳輸?shù)轿恢螅@一行的各列數(shù)據(jù)才能并行 地進(jìn)行顯示。 對(duì)于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)，在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時(shí)間就太少了，以致于影響到 LED 的亮度。 采用串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間矛盾，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳輸下一列的數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的 顯示就需要有鎖存功能。對(duì)于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來說，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)串入并出的移位功能。這樣本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并鎖存器進(jìn)行顯示時(shí)，串行移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會(huì)影響本行的顯示。 系統(tǒng)框圖 如圖 31 所示 。 圖 31 系統(tǒng)框圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 11 4 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件電路主要由單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動(dòng)電路 行驅(qū)動(dòng)電路、 LED 點(diǎn)陣顯示屏 四部分組成。 單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路 單片機(jī)采用 AT89S51 和更高的頻率的晶振，以獲得較高的刷新頻率，使得顯示更穩(wěn)定。 [5]單片機(jī) P2 口的 低四位與四線十六線譯碼器 74HC154 相連接，用來作 行 顯示信號(hào)線，單片機(jī) P2口的高四位與六片級(jí)聯(lián)的 74HC595 相連接，用來作 列顯示信號(hào)線。單片機(jī)的 P0、 P P3 口空著，在有必要的時(shí)候，可以擴(kuò)展系統(tǒng)的 ROM 和 RAM。 單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路 圖如圖 41 所示 。 列驅(qū)動(dòng)電路 列驅(qū)動(dòng)電路有集成電路 74HC595 構(gòu)成。它具有 8 位串入并出的移位寄存器和一個(gè) 8 位輸出鎖存器結(jié)構(gòu)，而且移位寄存器和輸出鎖存器的觸發(fā)脈沖信號(hào)都時(shí)各自獨(dú)立的，可以在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳輸下一行的列數(shù)據(jù)，即達(dá)到重疊處理的目的。 74HC595 的外形及引腳如圖 42 所示 。 圖 41 單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 12 它的輸入側(cè)有 8 個(gè)串行移位寄存器，每個(gè)移位寄存器的輸出都連接一個(gè)輸出鎖存器。引腳 SI 是串行數(shù)據(jù)的輸入端。引腳 SCK 是移位寄存器的移位時(shí)鐘脈沖，在其上升沿將發(fā)生移位，并將 SI 的下一個(gè)數(shù)據(jù)打入最低位。 移位后的各位信號(hào)出現(xiàn)在 各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入端。 RCK 是輸出鎖存器的打入信號(hào)，在其上升沿將移位寄存器的輸出數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器。 引腳 OE 是輸出三態(tài)門的開放信號(hào)，只有當(dāng)其為低電平時(shí)輸出鎖存器才開放，否則三態(tài)門為高阻態(tài)。引腳 SCLR 是移位寄存器的清 0 輸入端，當(dāng)其為低電平時(shí)移位寄存器的輸出全為 0。由于 SCK 和RCK 兩個(gè)信號(hào)是相互獨(dú)立的，所以能夠做到輸入串行移位和輸出鎖存器互不干擾 。芯片的輸出端為 QAQH，最高位 QH 可作為多片 74HC595 級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)，向上一級(jí)的級(jí)聯(lián)輸出。但因 QH 受輸出鎖存器打入控制，所以還從輸出鎖存器前引出了 QH39。，作為與移位寄存器完全同步的級(jí)聯(lián)輸出。 圖 42 74HC595 的外 形及引腳圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 13 其引腳說明 如 表 41 所示 。 表 41 引腳說明 其真值表 如 表 42 所示 。 表 42 真值表 其時(shí)序圖 如圖 43 所示 。 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 14 列驅(qū)動(dòng)器圖 如圖 44 所示 。 圖 43 時(shí)序圖 圖 44 列驅(qū)動(dòng)器圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 15 行驅(qū)動(dòng)電路 單片機(jī)的 P2 口的低四位輸出的信號(hào)經(jīng)四 線十六線譯碼器 74HC154 譯碼后生成16 條行選通信號(hào)線，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的行信號(hào)線。一條行信號(hào)線上要驅(qū)動(dòng) 48列的 LED 進(jìn)行顯示，需要引入電流驅(qū)動(dòng)器，根據(jù) 該系統(tǒng)的電流需求，選用 74HC245三態(tài)門即可滿足要求。 四線十六線譯碼器 74HC154 74HC154是一款高速 CMOS器件， 74HC154引腳兼容低功耗肖特基 TTL（ LSTTL）系列。 74HC154 譯碼器可接受 4 位高有效二進(jìn)制地址輸入，并提供 16 個(gè)互斥的低有效輸出。 [6]74HC154 的兩個(gè)輸入使能門電路可用于譯碼器選通，以消除輸出端 上的通常譯碼 “假信號(hào) ”，也可用于譯碼器擴(kuò)展。該使能門電路包含兩個(gè) “邏輯與 ”輸入，必須置為低以便使能輸出端。任選一個(gè)使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入， 74HC154 可充當(dāng)一個(gè) 116的多路分配器。當(dāng)其余的使能輸入端置低時(shí)，地址輸出將會(huì)跟隨應(yīng)用的狀態(tài) 。 74154 這種單片 4 線 —16 線譯碼器非常適合用于 高性能存儲(chǔ)器的譯碼器 。當(dāng)兩個(gè)選通輸入 G1 和 G2 為低時(shí) ,它可將 4 個(gè)二進(jìn)制編碼的輸入譯成 16 個(gè)互相獨(dú)立的輸出之一。 其外形及引腳圖 45 所 示 。 圖 45外形及引腳圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 16 其真值表 如 表 43 所示 。 表 43真值表 三態(tài)門 74HC245 總線驅(qū)動(dòng)器，典型的 TTL 型三態(tài)緩沖門電路。由于單片機(jī)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，如果負(fù)載超過其負(fù)載能力，一般應(yīng)加驅(qū)動(dòng)器另外，也可以使用 74HC244 等其他電路， 74HC244 比 74HC245 多了鎖存器。 三態(tài)門 74HC245 引腳圖如圖 46 所示 。 第 1 腳 DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用， DIR=“ 1” 高電平時(shí)信號(hào)由 “ A” 端輸入圖 46 74HC245 引腳圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 17 “ B” 端輸出， DIR=“ 0” 低電平時(shí)信號(hào)由 “ B” 端輸入 “ A” 端輸出。 第 29 腳 “ A” 信號(hào)輸入輸出端， A1=B、 A8=B8， A1 與 B1 是一組，如果DIR=“ 1” OE=“ 0” 則 A1 輸入 B1 輸出，其它類同。如果 DIR=“ 0” OE=“ 0” 則B1 輸入 A1 輸出，其它類同。 第 1118 腳 “ B” 信號(hào)輸入輸出端，功能與 “ A” 端一樣，不再描述。 第 19 腳 OE，使能端，若該腳為 “ 1” A/B 端的信號(hào)將不導(dǎo)通，只有為 “ 0” 時(shí)A/B 端才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)的作用。 第 10 腳 GND，電源地。 第 20 腳 VCC，電源正極 。 其真值表如表 44 所示。 表 44 真 值表 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 18 行驅(qū)動(dòng)器圖 行驅(qū)動(dòng)器電路如圖 47所示 。 LED 點(diǎn)陣 塊 結(jié)構(gòu)及點(diǎn)陣屏 LED 點(diǎn)陣 顯示屏是由半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成 。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 如圖 48 所示。 圖 47 行驅(qū)動(dòng)器電路 圖 48 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 19 引腳分布圖如圖 49 所示。 點(diǎn)陣塊實(shí)物圖如 圖 410 所示 。 圖 49引腳分布圖 圖 410 點(diǎn)陣塊實(shí)物 圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 20 系統(tǒng)整體電路圖 系統(tǒng)整體電路圖 如圖 411 所示。 圖 411 系統(tǒng)整體電路圖 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏控制設(shè)計(jì) 21 5 點(diǎn)陣字模生成原理與方法 漢字字模碼 為了將漢字的字形顯示輸出，漢字信息處理系統(tǒng)還需要配有漢字字模庫，也稱字形庫，它集中了全部漢字的字形信息。 需要顯示漢字時(shí)，根據(jù)漢字內(nèi)碼 向字模庫檢索出該漢字的字形信息，然后輸出，再從輸出設(shè)備得到漢字。 所謂漢字字模就是用 0、 1 表示漢字的字形，將漢字放入 n 行 *n 列的正方形內(nèi)，該正方形共有 n^2 個(gè)小方格，每個(gè)小方格用一位二進(jìn)制表示，凡是筆劃經(jīng)過的方格值為 1，未經(jīng)過的值為 0。 漢字點(diǎn)陣字模有 16*16 點(diǎn)、 24*24 點(diǎn)、 32*32 點(diǎn)， 48*48 點(diǎn)幾種，每個(gè)漢字字模分別需要 3 7 12 288 個(gè)字節(jié)存放，點(diǎn)數(shù)愈多，輸出的漢字愈美觀。 存放在磁盤上的字模庫稱為軟字庫，存放在由 ROM 組成的印刷線路板上的字模庫稱為硬字庫， 也稱為 “ 漢卡 ” 。 字模生成原理 本設(shè)計(jì)中因?yàn)槭褂脻h字