【文章內(nèi)容簡介】 壽命(半亮)在8000～100000小時之間，而LED背光源則可以達(dá)到CCFL的兩倍左右。當(dāng)然，LED背光源的使用壽命還受到散熱管理方面的影響。因此，LED顯示屏的優(yōu)點有：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定。目前市場上流行的大型顯示器件各式各樣。LED顯示屏具有其他顯示屏所無法比擬的技術(shù)優(yōu)越性：（ａ）使用壽命長：發(fā)光二極管的使用壽命在10萬小時以上（ｂ）響應(yīng)速度快：這是半導(dǎo)體器件共有的特點（ｃ）可視距離遠(yuǎn)：LED的單點直徑可達(dá)52mm，可視距離500米以上 （ｄ）規(guī)格品種多：LED顯示屏有室內(nèi)的、戶外的，有單色的、雙色、全彩色（ｅ）數(shù)字化程度高：全數(shù)字化，可實現(xiàn)高分辨率圖形方式（ｆ）亮度高：可用于戶外，如交通燈、防霧燈等。并且亮度可以調(diào)節(jié)。（ｇ）可視角度大：室內(nèi)顯示屏可達(dá)160度，戶外的可達(dá)120度（ｈ）功耗低：每平方米最大功耗不超過800W3 LED電路顯示原理 LED點陣顯示結(jié)構(gòu)LED點陣顯示模塊是LED顯示屏的基本組成單元，下面對LED點陣顯示模塊進(jìn)行具體的分析。該設(shè)計LED點陣顯示模塊采用單色模塊，其外形大小如下圖所示：圖31 LED點陣顯示模塊圖中為一個單色的88點陣模塊，而系統(tǒng)設(shè)計實際采用的是1616單色點陣顯示模塊。LED點陣顯示模塊的內(nèi)部連線如32圖所示：圖32 LED點陣顯示模塊內(nèi)部連線圖如圖所示，每一列的8個LED發(fā)光二極管的陽極接在一起，每一行的8個LED發(fā)光二極管的陰極接在一起，這樣就可以由行和列的選擇線控制每一個LED發(fā)光管的發(fā)光。圖33 88LED點陣模塊引腳圖圖33為88 LED點陣模塊的引腳圖，左邊是平放著，從前向后看；右邊的是平放著，從左向右看。由于在實際的操作中，具體的LED點陣顯示模塊的引腳并不是有規(guī)則地排列，而是根據(jù)內(nèi)部連線，及相應(yīng)的外部因素而排列，實際的顯示模塊的引腳排列參照具體的實物。 LED點陣顯示模塊的顯示原理LED點陣顯示屏不論顯示圖形還是文字，都是控制與組成這些圖形或文字的各個點所在位置相對應(yīng)的LED管器件發(fā)光即可。通常是先把需要顯示的圖形文字轉(zhuǎn)換成點陣圖形，再按照顯示控制的要求以一定的格式形成顯示數(shù)據(jù)。對于只控制通斷的圖文顯示屏來說，每個LED發(fā)光器件占據(jù)數(shù)據(jù)位中的一位(1bit)，在需要該LED器件發(fā)光時數(shù)據(jù)中相應(yīng)的位填1，否則填0。當(dāng)然，根據(jù)控制電路的安排，相反的定義同樣是可行的。這樣依據(jù)所需顯示的圖形文字，按照顯示屏的各行各列逐點填寫顯示數(shù)據(jù)，就可以構(gòu)成一個顯示數(shù)據(jù)文件。我們以中文宋體字庫為例。每一個字由16行16列的點陣組成顯示。即國標(biāo)漢字庫中的每一個字均由256點陣來表示。我們可以把每一個點理解為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。因而這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素范圍內(nèi)的任何圖形字符。 圖34 湖點陣圖 圖35 1616點陣圖以顯示漢字“湖”為例，來說明其掃描原理：在UCDOS中文宋體字庫中。每一個字由16行16列的點陣組成顯示。如果目前大多常用的MCU都采用8位數(shù)據(jù)存儲與控制的多，我們在這里也采用8位字節(jié)為例。一個字需要拆分為2個部分，一般我們把它拆分為左部和右部，左部由86點陣組成，右部也由86點陣組成，如圖35所示。在本例中首先顯示的是左上角的第一行的左半部分，即第一行第一列到第八列。方向為p00到p07，顯示漢字“湖”時，p00到p07點亮，由右往左排列，二進(jìn)制為01000010B，轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制為42H。左半部第一行完成后，繼續(xù)掃描左半部的第二行，p10到p17點亮，為00100010B，即16進(jìn)制22H。左半部的第二行，也為00100010B，即16進(jìn)制22H。繼續(xù)往下面的掃描，掃描完16行，然后轉(zhuǎn)向右半部，為了接線的方便。我們?nèi)栽O(shè)計成由右往左掃描。如圖35所示。從上圖可以看到，這一行全滅，即為00000000B，16進(jìn)制則為00H。再往下掃描第二行。p2p2p2p25點亮，為二進(jìn)制00111100b，即16進(jìn)制3CH。依照這個方法，繼續(xù)掃描完右16行，一共掃描32個8位，可以得出漢字“湖”的掃描代碼為：湖 CBAFEDB 042H,000H,022H,03CH,022H,024H,002H,024HDB 08FH,0BCH,052H,024H,012H,024H,02FH,0BCHDB 028H,0A4H,028H,0A4H,0C8H,0A4H,048H,0A4HDB 04FH,0C4H,040H,044H,040H,094H,041H,008H通過使用軟件HZDotreader軟件可以表示出很多字：如：感謝感 CB8D0DB 000H,050H,000H,048H,03FH,0FCH,020H,040HDB 03FH,048H,020H,048H,02FH,030H,029H,020HDB 04FH,032H,040H,04AH,080H,006H,009H,008HDB 028H,084H,028H,016H,067H,0F0H,000H,000H。謝 CD0BBDB 001H,008H,042H,008H,037H,088H,024H,088HDB 007H,0FEH,004H,088H,0E7H,0C8H,024H,0A8HDB 02FH,0A8H,021H,088H,022H,088H,02AH,088HDB 034H,088H,028H,088H,012H,0A8H,001H,010H本文件為1616點陣中文字庫文件,字的橫向8點構(gòu)成一字節(jié),左邊點在字節(jié)的高位,字符點陣四角按左上角→右上角→左下角→右下角取字。 LED點陣屏的顯示原理圖文顯示屏的點陣結(jié)構(gòu)如圖36所示。一塊由M行N列組成的MN圖文顯示屏，其LED發(fā)光管的數(shù)量非常大，不宜使用靜態(tài)顯示驅(qū)動電路。掃描驅(qū)動電路一般采用多行（在1/16的掃描方式下，就是16行）的同名列共用一套列驅(qū)動器。當(dāng)行驅(qū)動器選中第i行，列驅(qū)動器選中第j列時，對應(yīng)的LED器件根據(jù)列驅(qū)動器的數(shù)據(jù)要求進(jìn)行顯示，這樣控制電路有序地選通各行，在選通每一行之前還要把該行的列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。一旦該行選通，這一行線上的LED發(fā)光管器件就可以根據(jù)列數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。圖36 MN行LED點陣圖由于驅(qū)動及控制電路的速度是很快的，而且LED發(fā)光二極管也具有很高的響應(yīng)速度，LED的顯示就在人眼中造成視覺暫留現(xiàn)象，人看起來就好像是整個屏在顯示一副完整的畫面，而不是一行一行的小點在閃爍。 顯示系統(tǒng)掃描程序軟件設(shè)計顯示系統(tǒng)的程序設(shè)計不算很難，但是對速度要求很高。FPGA掃描每一行，同時將下一行的數(shù)據(jù)送過去，在掃描完32行的時候要進(jìn)行循環(huán)掃描，以便于人眼能夠看到字形 。就這樣不停地送數(shù)據(jù)過去，不停地刷新顯示屏，將要顯示的數(shù)據(jù)刷新到顯示屏上，參見圖37。圖37 顯示系統(tǒng)程序流程圖對整個屏幕采用整體掃描的方法，一行數(shù)據(jù)為128位，這樣就需要每輸出8個數(shù)據(jù)單元時，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)鎖存信號，然后打開行掃描，使其中一行點亮，這里要注意顯示數(shù)據(jù)與對應(yīng)行的選通，只有這樣才能得到信息的正確顯示。當(dāng)下一行數(shù)據(jù)灌滿128列后，再產(chǎn)生鎖存信號，就這樣，在送完第一行的數(shù)據(jù)后，選通第一行，顯示第一行的信息，緊接著送第二行的信號數(shù)據(jù)，選通第二行，顯示第二行的信息，如此不斷的循環(huán)[9]。掃描顯示32行的所有信息后，要實現(xiàn)全屏字模的顯示，就要繼續(xù)再次掃描一定的次數(shù)，我們設(shè)定為100次，完了接著繼續(xù)掃描下一屏，重復(fù)以上的操作，最后實現(xiàn)整屏全部字模顯示的刷新。4 方案選擇 總體方案此設(shè)計一般有兩種方案，一種是分布式控制，另一種以FPGA構(gòu)造的高速掃描電路為系統(tǒng)核心，顯示數(shù)據(jù)的提取、并串轉(zhuǎn)換輸出和掃描信號的產(chǎn)生由高速的FPGA掃描電路控制。把原本由CPU軟件實現(xiàn)的操作用硬件完成。針對第二設(shè)計方案提出兩種方法。第一種設(shè)計方法是采用外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器，利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫控制，該設(shè)計在一個時鐘周期就進(jìn)行了一次讀操作和一次寫操作，使系統(tǒng)讀寫互不影響。圖41為其硬件關(guān)系，圖42為FPGA的內(nèi)部電路和外部電路關(guān)系。圖41 硬件關(guān)系圖42 FPGA內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)以及外部電路關(guān)系第二種設(shè)計方法也是以FPGA為核心的系統(tǒng)方案。它采用FPGA內(nèi)設(shè)雙口RAM[10]，很好的解決數(shù)據(jù)讀寫沖突問題，圖43為系統(tǒng)原理框圖，44為實際顯示屏系統(tǒng)組成框圖。圖43 系統(tǒng)原理框圖圖44 顯示屏系統(tǒng)組成框圖兩種方案的比較：第一種方法中采用單片機(jī)和FPGA的混合設(shè)計，單片機(jī)主要完成從上位機(jī)接收顯示數(shù)據(jù)。FPGA完成畫面的刷新和各種顯示效果(例如各種刷屏，各種推屏和馬賽克漸出漸入等)。系統(tǒng)采用一個外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器，由于寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)的電路操作是同一塊存儲器，并且兩部分的操作要求互不干擾。所以采用了如下的設(shè)計思路：將外部時鐘五分頻，前三個時鐘用于寫，后兩個時鐘用于讀，并提供分頻后的時鐘供其它電路使用。這樣對于該時鐘而言，一個時鐘周期就能完成一個讀操作和一個寫操作。但是電路需要三個接口，即數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)讀出，顯示接口，同時這種分時操作對FPGA的主頻要求很高，當(dāng)系統(tǒng)斷電后，數(shù)據(jù)會丟失，每次的顯示數(shù)據(jù)都需要PC機(jī)進(jìn)行串口輸入。第二種方法中高速的FPGA掃描模塊電路實現(xiàn)了由軟件實現(xiàn)的部分操作，使CPU的操作大大簡化。FPGA的高頻率工作特性，使它能高速的完成數(shù)據(jù)提取、并串轉(zhuǎn)換和移位輸出；還可以很好地實現(xiàn)掃描同步、掃描譯碼輸出。其中FPGA內(nèi)部雙口RAM的運用，為不同總線間的數(shù)據(jù)通信提供了一個新的解決方案。ELPIC6的高度集成性使版面可以做的很小?？梢钥闯龅谝环N方法適合大屏顯示，本設(shè)計是一個12832的室內(nèi)顯示屏，考慮到實驗資源和成本問題，為完成系統(tǒng)硬件設(shè)計，采用第二種設(shè)計方法。由圖，整個顯示系統(tǒng)由信號處理電路、雙口RAM、驅(qū)動單元、分頻器四大塊組成。軟件設(shè)計包括三部分：上位機(jī)軟件設(shè)計、單片機(jī)控制單元軟件設(shè)計、FPGA驅(qū)動單元軟件設(shè)計。本設(shè)計只給出FPGA驅(qū)動單元軟件設(shè)計，其中包含了對雙口RAM的配置與調(diào)用。(a)信號處理模塊設(shè)計。微處理器MCU采用8位單片機(jī)AT89S51，它通過串口接收來自PC機(jī)的待顯示數(shù)據(jù)。由于PC機(jī)串行總線標(biāo)準(zhǔn)RS232的邏輯電平與單片機(jī)電路使用的TTL電平不同，所以PC機(jī)與MCU[11]之間的通信數(shù)據(jù)必須經(jīng)過RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從PC機(jī)接收到的數(shù)據(jù)存放在8K字節(jié)的電可擦寫內(nèi)存EEPROM28C64中，這樣可方便地隨時修改待顯示的信息，并且在掉電情況下不至于丟失數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)軟件要進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)處理，所以擴(kuò)充了單片機(jī)緩存區(qū)大小，采用了8K字節(jié)的外部靜態(tài)RAM6264。（b）雙口RAM的配置。由于數(shù)據(jù)顯示是一種動態(tài)掃描方式，如果采用一個RAM區(qū)，當(dāng)單片機(jī)寫RAM時，F(xiàn)PGA只能處于等待狀態(tài)，這樣就會導(dǎo)致屏幕動態(tài)掃描停止。且屏幕數(shù)據(jù)是移位輸出的，當(dāng)掃描停止時，因為會有某一行的高電平保持較長的時間，該行就會一直保持較強的亮度，影響屏幕的顯示效果。本系統(tǒng)中設(shè)計了2個同樣大小的RAM 區(qū)：A區(qū)和B區(qū)，讓單片機(jī)交替進(jìn)行寫操作。當(dāng)單片機(jī)在寫A區(qū)時，F(xiàn)PGA就去讀B區(qū)的字模數(shù)據(jù)；當(dāng)單片機(jī)寫B(tài)區(qū)時，F(xiàn)PGA就去讀A區(qū)的字模數(shù)據(jù)。這樣就不會造成FPGA的停止掃描，保證了各行的點陣有相同的時間占空比，使屏幕點陣有同樣亮度。單片機(jī)中的HL引腳可用于控制單片機(jī)的寫區(qū)和FPGA的讀區(qū)[12]。并且可以根據(jù)具體的程序設(shè)定LED顯示屏的顯示模式，顯示內(nèi)容和其他的參數(shù)及系統(tǒng)設(shè)置。雙口RAM是兩個數(shù)據(jù)模塊間的數(shù)據(jù)信道，必須是共享的，它在本設(shè)計中起到了關(guān)鍵作用?？梢钥吹疆?dāng)HL不改變時系統(tǒng)就可獨立于MCU，成為一個小型的顯示塊。（c）FPGA的驅(qū)動單元是根據(jù)顯示要求產(chǎn)生相應(yīng)的讀地址、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換、對LED點陣按照一定的順序進(jìn)行列掃描的單元。屏幕的顯示信息與相應(yīng)的地址是一一對應(yīng)的，對地址讀取順序的不同可產(chǎn)生不同的顯示效果。它本身就包含了小模塊的程序設(shè)計，其中有數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換器、讀地址產(chǎn)生器、地址計數(shù)器、掃描控制信號發(fā)生器。該電路模塊產(chǎn)生讀地址，列數(shù)據(jù)鎖存信號，行掃描信號以及串行輸出信號。在時鐘控制信號作用下，從RAM中讀出數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部驅(qū)動控制電路，產(chǎn)生行列信號輸出，在顯示屏幕上時實顯示，通過循環(huán)掃描輸出，在整體上看來就是一個具有一定特征的圖像生成在LED屏上。（d）分頻器的設(shè)計[13]是為了使全局只有一個外部時鐘，這樣簡化了電路連接，節(jié)省了FPGA的外部管腳，節(jié)省了資源。使設(shè)計電路性能得以提高，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，降低了生產(chǎn)成本。 外圍電路連接 由于大屏幕是單色點陣，主要用來顯示文字信息，所以要求亮度高且均衡。本設(shè)計每行的占空比是l／32，EP1C6的高頻特性使刷新頻率可以做的很高，使屏幕亮度得到保證。點陣的驅(qū)動電路分為行驅(qū)動和列驅(qū)動，列驅(qū)動采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，易于模塊化。列驅(qū)動電路由74HC595組成，行驅(qū)動電路由FPGA的掃描模塊輸出QROWDATEOUT和與之配套的反相器740PNP達(dá)林頓功率三極管TIP127組成。行驅(qū)動器每行的行線連接到PNP三級管的集電極，間接連接到電源上。所以對于列數(shù)據(jù)是高電平有效，對于行驅(qū)動是低電平有效，顯示屏采用共陰極的方式。驅(qū)動模塊的行輸出數(shù)據(jù)分別與顯示屏的行驅(qū)動電路連接。列驅(qū)動采用74HC595[14]，顯示屏有128列故需要16個74HC595，并將它們串行連接，也就是將前一個74HC595的數(shù)據(jù)移出引腳接到下一個74HC595的數(shù)據(jù)移人引腳上，而74HC595的脈沖信號和數(shù)據(jù)鎖存信號都接同一個信號，就可以實現(xiàn)模塊數(shù)據(jù)的顯示，數(shù)據(jù)及控制信號從左邊進(jìn)人，從右邊輸出。74HC595是移位鎖存芯片，其內(nèi)部有一個移位寄存器，還有一個數(shù)據(jù)移入引腳(DS)、一個數(shù)據(jù)移出引腳(Q8)、8個數(shù)據(jù)輸出引腳(Q1～Q8)，另外還有脈沖信號(CIK)和數(shù)據(jù)鎖存信號(ST)。它的工作原理是當(dāng)脈沖信號作用時將移入引腳的數(shù)據(jù)移入芯片內(nèi)部的移位寄存器，當(dāng)