【文章內容簡介】 壽命(半亮)在8000～100000小時之間，而LED背光源則可以達到CCFL的兩倍左右。當然，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）響應速度快：這是半導體器件共有的特點（ｃ）可視距離遠：LED的單點直徑可達52mm，可視距離500米以上 （ｄ）規(guī)格品種多：LED顯示屏有室內的、戶外的，有單色的、雙色、全彩色（ｅ）數字化程度高：全數字化，可實現高分辨率圖形方式（ｆ）亮度高：可用于戶外，如交通燈、防霧燈等。并且亮度可以調節(jié)。（ｇ）可視角度大：室內顯示屏可達160度，戶外的可達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點陣顯示結構LED點陣顯示模塊是LED顯示屏的基本組成單元，下面對LED點陣顯示模塊進行具體的分析。該設計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點陣顯示模塊的內部連線如32圖所示：圖32 LED點陣顯示模塊內部連線圖如圖所示，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，而是根據內部連線，及相應的外部因素而排列，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據。對于只控制通斷的圖文顯示屏來說，每個LED發(fā)光器件占據數據位中的一位(1bit)，在需要該LED器件發(fā)光時數據中相應的位填1，否則填0。當然，根據控制電路的安排，相反的定義同樣是可行的。這樣依據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據，就可以構成一個顯示數據文件。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位數據存儲與控制的多，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，二進制為01000010B，轉換為16進制為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進制22H。左半部的第二行，也為00100010B，即16進制22H。繼續(xù)往下面的掃描，掃描完16行，然后轉向右半部，為了接線的方便。我們仍設計成由右往左掃描。如圖35所示。從上圖可以看到，這一行全滅，即為00000000B，16進制則為00H。再往下掃描第二行。p2p2p2p25點亮，為二進制00111100b，即16進制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構如圖36所示。一塊由M行N列組成的MN圖文顯示屏，其LED發(fā)光管的數量非常大，不宜使用靜態(tài)顯示驅動電路。掃描驅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動器。當行驅動器選中第i行，列驅動器選中第j列時，對應的LED器件根據列驅動器的數據要求進行顯示，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據準備好。一旦該行選通，這一行線上的LED發(fā)光管器件就可以根據列數據進行顯示。圖36 MN行LED點陣圖由于驅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速度，LED的顯示就在人眼中造成視覺暫留現象，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)掃描程序軟件設計顯示系統(tǒng)的程序設計不算很難，但是對速度要求很高。FPGA掃描每一行，同時將下一行的數據送過去，在掃描完32行的時候要進行循環(huán)掃描，以便于人眼能夠看到字形 。就這樣不停地送數據過去，不停地刷新顯示屏，將要顯示的數據刷新到顯示屏上，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，一行數據為128位，這樣就需要每輸出8個數據單元時，產生一個數據鎖存信號，然后打開行掃描，使其中一行點亮，這里要注意顯示數據與對應行的選通，只有這樣才能得到信息的正確顯示。當下一行數據灌滿128列后，再產生鎖存信號，就這樣，在送完第一行的數據后，選通第一行，顯示第一行的信息，緊接著送第二行的信號數據，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，要實現全屏字模的顯示，就要繼續(xù)再次掃描一定的次數，我們設定為100次，完了接著繼續(xù)掃描下一屏，重復以上的操作，最后實現整屏全部字模顯示的刷新。4 方案選擇 總體方案此設計一般有兩種方案，一種是分布式控制，另一種以FPGA構造的高速掃描電路為系統(tǒng)核心，顯示數據的提取、并串轉換輸出和掃描信號的產生由高速的FPGA掃描電路控制。把原本由CPU軟件實現的操作用硬件完成。針對第二設計方案提出兩種方法。第一種設計方法是采用外擴數據存儲器，利用狀態(tài)機進行數據讀寫控制，該設計在一個時鐘周期就進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為其硬件關系，圖42為FPGA的內部電路和外部電路關系。圖41 硬件關系圖42 FPGA內部電路結構以及外部電路關系第二種設計方法也是以FPGA為核心的系統(tǒng)方案。它采用FPGA內設雙口RAM[10]，很好的解決數據讀寫沖突問題，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和FPGA的混合設計，單片機主要完成從上位機接收顯示數據。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)采用一個外擴數據存儲器，由于寫數據和讀數據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，即數據輸入，數據讀出，顯示接口，同時這種分時操作對FPGA的主頻要求很高，當系統(tǒng)斷電后，數據會丟失，每次的顯示數據都需要PC機進行串口輸入。第二種方法中高速的FPGA掃描模塊電路實現了由軟件實現的部分操作，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據提取、并串轉換和移位輸出；還可以很好地實現掃描同步、掃描譯碼輸出。其中FPGA內部雙口RAM的運用，為不同總線間的數據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，本設計是一個12832的室內顯示屏，考慮到實驗資源和成本問題，為完成系統(tǒng)硬件設計，采用第二種設計方法。由圖，整個顯示系統(tǒng)由信號處理電路、雙口RAM、驅動單元、分頻器四大塊組成。軟件設計包括三部分：上位機軟件設計、單片機控制單元軟件設計、FPGA驅動單元軟件設計。本設計只給出FPGA驅動單元軟件設計，其中包含了對雙口RAM的配置與調用。(a)信號處理模塊設計。微處理器MCU采用8位單片機AT89S51，它通過串口接收來自PC機的待顯示數據。由于PC機串行總線標準RS232的邏輯電平與單片機電路使用的TTL電平不同，所以PC機與MCU[11]之間的通信數據必須經過RS232 電平轉換芯片MAX232進行轉換。從PC機接收到的數據存放在8K字節(jié)的電可擦寫內存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據。由于系統(tǒng)軟件要進行大批量的數據處理，所以擴充了單片機緩存區(qū)大小，采用了8K字節(jié)的外部靜態(tài)RAM6264。（b）雙口RAM的配置。由于數據顯示是一種動態(tài)掃描方式，如果采用一個RAM區(qū)，當單片機寫RAM時，FPGA只能處于等待狀態(tài)，這樣就會導致屏幕動態(tài)掃描停止。且屏幕數據是移位輸出的，當掃描停止時，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)中設計了2個同樣大小的RAM 區(qū)：A區(qū)和B區(qū)，讓單片機交替進行寫操作。當單片機在寫A區(qū)時，FPGA就去讀B區(qū)的字模數據；當單片機寫B(tài)區(qū)時，FPGA就去讀A區(qū)的字模數據。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。單片機中的HL引腳可用于控制單片機的寫區(qū)和FPGA的讀區(qū)[12]。并且可以根據具體的程序設定LED顯示屏的顯示模式，顯示內容和其他的參數及系統(tǒng)設置。雙口RAM是兩個數據模塊間的數據信道，必須是共享的，它在本設計中起到了關鍵作用?？梢钥吹疆擧L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的驅動單元是根據顯示要求產生相應的讀地址、實現數據的并串轉換、對LED點陣按照一定的順序進行列掃描的單元。屏幕的顯示信息與相應的地址是一一對應的，對地址讀取順序的不同可產生不同的顯示效果。它本身就包含了小模塊的程序設計，其中有數據并串轉換器、讀地址產生器、地址計數器、掃描控制信號發(fā)生器。該電路模塊產生讀地址，列數據鎖存信號，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中讀出數據，通過內部驅動控制電路，產生行列信號輸出，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。使設計電路性能得以提高，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，降低了生產成本。 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。點陣的驅動電路分為行驅動和列驅動，列驅動采用串行數據傳輸方式，易于模塊化。列驅動電路由74HC595組成，行驅動電路由FPGA的掃描模塊輸出QROWDATEOUT和與之配套的反相器740PNP達林頓功率三極管TIP127組成。行驅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。所以對于列數據是高電平有效，對于行驅動是低電平有效，顯示屏采用共陰極的方式。驅動模塊的行輸出數據分別與顯示屏的行驅動電路連接。列驅動采用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的數據移出引腳接到下一個74HC595的數據移人引腳上，而74HC595的脈沖信號和數據鎖存信號都接同一個信號，就可以實現模塊數據的顯示，數據及控制信號從左邊進人，從右邊輸出。74HC595是移位鎖存芯片，其內部有一個移位寄存器，還有一個數據移入引腳(DS)、一個數據移出引腳(Q8)、8個數據輸出引腳(Q1～Q8)，另外還有脈沖信號(CIK)和數據鎖存信號(ST)。它的工作原理是當脈沖信號作用時將移入引腳的數據移入芯片內部的移位寄存器，當