【文章內(nèi)容簡介】 /16。可見，用行線做掃描線，因為其發(fā)光周期的占空比較大，其視覺亮度是用列線做掃描線的6倍。因而發(fā)光效率比前者高。在實際運用的時候，還要在每兩幀之間加上合適的延時，以使人眼能清晰的看見發(fā)光。在幀切換的時候還要加入余輝消除處理。比如先將掃描線全部設置為無效電平，送下一行的列數(shù)據(jù)后再選通掃描線，避免出現(xiàn)尾影。所謂串行控制驅(qū)動方式就是顯示的數(shù)據(jù)是通過串行方式送入點(列)驅(qū)動電路。其特點是單元內(nèi)的線路連接簡單,這給印刷電路板的設計帶來了方便。同時也減少了印刷電路板的布線密度,從而為生產(chǎn)和調(diào)試帶來了有利的一面。當然,單元的可靠性也相應的提高了。串行控制驅(qū)動方式可選用的芯片有:MC40974LS5974HC596B599094等等。其中MC40974HC595均為CMOS芯片,應與功率芯片結合使用。例如使用2803驅(qū)動芯片。建議采用6B595或9094(74LS595也可用),因為這幾種芯片都具有一定的驅(qū)動能力可直接驅(qū)動LED發(fā)光管而無須另外添加驅(qū)動芯片。同時,串行移位并行功率輸出的芯片(6B599094)自身具有級聯(lián)功能,為單元的級聯(lián)提供了支持。關于行的控制和驅(qū)動是相對容易的,因為行的工作方式是分時順序工作的。由于行的組成是幾個模塊并聯(lián)形成的,因此驅(qū)動的功率要求是比較大的。行的驅(qū)動一般是采用PNP(用于共陽方式)功率三極管,行的邏輯控制可選用三—八譯碼方式和直接行線控制方式。譯碼方式是應用三條行控制線控制一個三—八譯碼器(如74LS138等),八選一順序控制八條行線。直接行線控制方式是比較簡單的,這里就不贅述了。在應用串行控制驅(qū)動系統(tǒng)時,盡管串行移位芯片具有級聯(lián)功能,但設計時要考慮時鐘信號、STR信號、行控制信號的級聯(lián)驅(qū)動問題。另外為提高單元的多級級聯(lián)的數(shù)量,設計時要考慮到每個信號的傳輸延遲,以保證控制時序的正確運行。并行控制驅(qū)動方式就是顯示的數(shù)據(jù)是通過并行(8位)方式送入點(列)驅(qū)動電路。每送入一個字節(jié)就完成了一個模塊的一個行的數(shù)據(jù)置入,其優(yōu)點是數(shù)據(jù)的刷新速度塊,這就減輕了上一級控制系統(tǒng)的壓力。在同樣的數(shù)據(jù)處理量的前提下,對處理速度要求的降低,就意味著對系統(tǒng)投入的降低。同時處理速度的降低也相應地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在并行控制驅(qū)動方式下,我們可以選用74LS374這樣一類鎖存芯片,采用首尾相連的方式將控制、驅(qū)動一并形成。也可以將這一方式稱其為并行移位鎖存方式。這一設計方案的特點是設計線路簡潔,控制方便快速。系統(tǒng)的整體投入成本比較低,這一設計方案將大大地提高系統(tǒng)的性能價格比。關于在并行控制驅(qū)動方式下的行控制驅(qū)動的設計可參照串行控制驅(qū)動方式設計。并行控制驅(qū)動方式的缺點是:由于數(shù)據(jù)是并行輸入的,這就使得單元內(nèi)的線路連接復雜。由此增加了單元的印刷線路板的設計難度。同時提高了印刷線路板的密度,對生產(chǎn)加工和調(diào)試提出了較高的要求。但設計難度的加大僅僅是一次性的,而生產(chǎn)和調(diào)試的難度是可以提高生產(chǎn)的手段和使用先進的儀器設備加以克服的。由于并控制驅(qū)動方式的自身特點,使得單元的級聯(lián)不成問題。只要設計時對控制信號的級聯(lián)驅(qū)動加以注意就可以了。并行控制驅(qū)動方案中也可采用總線式結構,即選用的八位鎖存器不是首尾級聯(lián)方式而是共用總線方式。但這種方式將增加控制邏輯的投入,也就是說每個鎖存器都要有一個獨立的鎖存控制時鐘。因此,這一方式一般不采用。隨著微電子技術的不斷發(fā)展,以及大型電子顯示屏應用的日益廣泛,一種高度集成的LED顯示屏控制驅(qū)動專用芯片出現(xiàn)了,例如:ZQL9701芯片。ZQL9701芯片是集行控制、列控制和一些外圍驅(qū)動電路于一身的高度集成控制驅(qū)動芯片。采用ZQL9701芯片將會使單元的控制、驅(qū)動更為簡單,高度的集成化也使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更為可靠。另外,ZQL9701芯片在單元的級聯(lián)方面也提供了充分的支持。采用ZQL9701芯片將使系統(tǒng)的顯示灰度達到256級。采用ZQL9701芯片設計顯示單元時,由于ZQL9701芯片是表面封裝器件,這就需要用專用的生產(chǎn)設備進行生產(chǎn)。這對一般的生產(chǎn)單位是要考慮的問題。總之,采用專用芯片設計的顯示單元的性能得到極大的提高。但系統(tǒng)的成本也要提高,在應用中要給予重視。 LED驅(qū)動方式的選擇從理論上說，不論顯示圖形還是文字，只要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器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結果，這種同時控制各個發(fā)光點亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動顯示方式。1616的點陣共有256個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有這么多端口，如果我們采用鎖存器來擴展端口，按8位的鎖存器來計算，1 616的點陣需要256/8=32個鎖存器。這個數(shù)字很龐大，因為我們僅僅是1616的點陣，在實際應用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個很龐大的數(shù)字。因此在實際應用中的顯示屏都不采用這種設計，而采用另一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)多行(比如16行)的同名列共用一套列驅(qū)動器。具體就1 616的點陣來說，把所有同l行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同一列的發(fā)光管的陰極連在一起(共陽的接法)，先送出對應第1行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第l行使其燃亮一定的時間，然后熄滅；再送出第2行的數(shù)據(jù)并鎮(zhèn)存，然后選通第2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；……第16行之后，又重新燃亮第1行，腹輪回。當這樣輪回的速度足夠快(每秒24次以上)，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個列驅(qū)動器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應的列驅(qū)動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應的硬件數(shù)目多。當列數(shù)很多時，并行傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉?。采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ刂齐娐房梢灾挥靡桓盘柧€，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟的。但是，串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動器，只有當一行的各列數(shù)據(jù)都已傳輸?shù)轿恢螅@一行的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準備(傳輸)和列數(shù)據(jù)顯示兩個部分。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準備時間可能相當長．在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時間就太少了，以致影響到LED的亮度。解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，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，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。為了達到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有鎖存功能。經(jīng)過上述分析，可以歸納出列驅(qū)動器電路應具備的主要功能。對于列數(shù)據(jù)準備來說，它應能實現(xiàn)串人并出的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。從成本和功能上考慮，選擇74HC595串行轉并行鎖存器芯片作為列驅(qū)動器是一個不錯的選擇，本設計便考慮使用它作為列驅(qū)動器。而行驅(qū)動器傳統(tǒng)是使用兩個74LS138三八譯碼器芯片來進行行掃描，本設計便考慮使用74LS154四十六譯碼器芯片作為行驅(qū)動器。 單片機軟件開發(fā)工具及語言本系統(tǒng)的處理器是兼容8051指令集的高速單片機STC12C5412AD。為此，首選Keil μVision作為其開發(fā)工具。Keil μVision是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。其功能強大，生成的代碼緊湊，是目前世界上使用最廣的51系列兼容單片機開發(fā)工具。本設計中，單片機軟件是采用C51語言編寫，C51語言是ANSI C的擴展集，其語法結構、關鍵字等與ANSI C絕大部分是相同的。與匯編相比，C51語言在功能上、結構性、可讀性、可移植性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。 對于系統(tǒng)電源及通信電纜的考慮 對于LED顯示屏的電源要求本系統(tǒng)沒有設置獨立的5V穩(wěn)壓器件，因此要求外部能對其提供相對穩(wěn)定的電壓。為保證單片機等集成電路的穩(wěn)定工作，~。本系統(tǒng)的工作電流隨著顯示內(nèi)容的不同有很大變化。在LED全滅的狀態(tài)下，耗電電流為60mA左右；在LED全亮的情況下，工作電流可以達到3A；在滾動顯示漢字的時候，耗電約為500mA左右。因此，要求供電電源在負載電流變化較大的情況下能保持相對穩(wěn)定的電壓輸出。同時，條屏一般是全天候工作，對電源系統(tǒng)的長時間工作的穩(wěn)定性要求較高?？紤]到上述因素，本設計采用功率容量75W，輸出5V/10A的成品單端反激式開關電源來為條屏系統(tǒng)供電。10A的電流容量對于條屏系統(tǒng)3A的滿負荷電流仍有較大的余量。這保證了長時間使用穩(wěn)定性。 開關電源在條屏應用中的優(yōu)勢使用開關電源，相對于線性電源來說，有以下幾個明顯的優(yōu)勢。成本低廉：同等電壓和電流容量的開關穩(wěn)壓電源的成本，是傳統(tǒng)的工頻變壓器線性穩(wěn)壓電源的30%左右。因此，在許多場合，開關電源已逐步取代線性電源。高效率：體現(xiàn)在極高的轉換效率和極低的調(diào)整損耗上，開關電源的換能器是工作在開關狀態(tài)下，因此轉換的效率極高，長時間滿負荷工作也不會引起電源過熱。正好滿足條屏的應用場合。功率密度大：開關電源能夠輕松地提供10A以上的電流。在同等輸出功率下，開關電源的體積只有線性電源的四分之一，重量為線性電源的十分之一。功率越大，其優(yōu)勢越明顯。對于通信電纜的選擇，本設計是將通信線和電源輸入合并在一個DB9連接器上。外部電纜使用多芯屏蔽電纜。這樣的設計，緊湊美觀，堅固耐用。 系統(tǒng)電源的選擇 本設計使用低壓差線性穩(wěn)壓集成電路開關穩(wěn)壓器LM2940元件為LED顯示屏、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器和單片機供電。因為開關穩(wěn)壓控制器，是控制輸出電壓穩(wěn)定的設備。所有的穩(wěn)壓器，都利用了相同的技術實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出電壓通過連接到誤差放大器（Error Amplifier）反相輸入端（Inverting Input）的分壓電阻（Resistive Divider）采樣（Sampled），誤差放大器的同相輸入端（Noninverting Input）連接到一個參考電壓Vref。 參考電壓由IC內(nèi)部的帶隙參考源(Bandgap Reference)產(chǎn)生。 誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此，它提供負載電流以保證輸出電壓穩(wěn)定。 系統(tǒng)總體方案設計框圖通過前面對各種方案的比較與分析，初步構建硬件系統(tǒng)框圖如圖23。在圖23中，X0、X1為顯示單元。每個顯示單元由一個1616點陣的LED模塊和l兩個8位寬的移位鎖存器（串行 — 并行轉換器）構成。所有顯示單元的16根行線均連接到公共的行掃描驅(qū)動電路。而每個顯示單元的列數(shù)據(jù)則由8位移位鎖存器并行輸出口提供。中央微處理器MCU負責與所有外圍設備的協(xié)調(diào)通信，以及各種算法的處理。MCU用通用I/O口來驅(qū)動行掃描驅(qū)動電路。用通用I/O口模擬同步串行接口以實現(xiàn)和列數(shù)據(jù)鎖存器（移位鎖存器）之間的單向通信。PC機（上位機）的RS232C電平經(jīng)過轉換后，通過UART接口與MCU進行雙向通信。電源則為各個模塊提供穩(wěn)定的電壓以及足夠的電流。圖23總體硬件系統(tǒng)框圖3 硬件電路設計STC51單片機的最小系統(tǒng)設計如圖31。.圖31 單片機最小系統(tǒng)圖51單片機的最小系統(tǒng)由單片機、晶振電路、復位電路和P0的上拉電阻組成。其介紹如下：216。 晶振電路為單片機提供時序使單片機能夠正常工作，在圖31中采用單片機內(nèi)部振蕩方式。此時，只要接上兩個電容和一個晶振即可。電容的大小影響著振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇10~30pF的相等的兩個瓷片電容。216。 C1和R2構成了復位電路。剛開始上電時時，C1瞬間相當于短路，C1兩端保持0V電壓，VCC的電源電壓就都加在了R2上，因此在單片機9腳RST上變成了高電平，此后C1上逐漸充電，即在C1上出現(xiàn)電壓，R2上的電壓開始下降，最后單片機9腳RST上變成了低電平。在此過程中只要滿足單片機9腳RST上的高電平持續(xù)24個振蕩周期即可使單片機復位。本設計中，每個1616點陣的列驅(qū)動電路由兩個串聯(lián)的8位移位鎖存器74HC595構成。74HC595，是為Motorola的SPI總線開發(fā)的一款串并轉換芯片。由于74HC595的輸入輸出電平兼容LSTTL,NMOS,CMOS電平，且具有較強的輸出負載能力，而被廣泛地運用于MCU（微控制器）、MPU（微處理器）的I/O口擴展。74HC595在5V供電的時候能夠達到30MHz的時鐘速度，每個并行輸出端口均能承受20mA的灌電流和拉電流。這個特點保證了不用增加額外的擴流電路即可輕松的驅(qū)動LED。它輸入端允許500nS的上升（下降）時間，對嚴重畸形的時鐘脈沖仍能檢測。這樣就可以容納較大的傳輸線對地電容，使本設計的抗干擾能力增強。74HC595并行輸出端與LED模塊列線之間通過20Ω的電阻連接，這里電阻起到分壓，去除紅色LED的并聯(lián)嵌位作用。使紅綠兩組LED均能正常發(fā)光。由于LED顯示屏的工作電流時刻在變化，造成了系統(tǒng)電壓的波動。這種電壓波動有高頻成分，也有低頻成分。輕則對周圍無線電環(huán)境造成電磁污染，重則使系統(tǒng)時鐘紊亂，邏輯錯誤。為避免此，在每個74HC595的電源VCC和GND旁邊都并聯(lián)了兩個電容，用于濾波和退耦。穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，旁路掉電源中的高頻脈動成份。消除自激，減小對外雜散電磁輻射，提高EMI電磁兼容性。74HC595的引腳及邏輯功能如圖32。 圖32 74HC595管腳圖74HC595的管腳功能描述見表31：管腳號管腳名稱管腳功能描述1QB鎖存器輸出，三態(tài)2QC鎖存器輸出，三態(tài)3QD鎖存器輸出，三態(tài)4QE鎖存器輸出，三態(tài)5QF鎖存器輸出，三態(tài)6QG鎖存器輸出，三態(tài)7QH鎖存器輸出，三態(tài)8GND電源地9SQH串行輸出，用于級聯(lián)。無三態(tài)輸出功能10Reset低電平有效，當此管腳上出現(xiàn)低電平時，將復位內(nèi)部的移位寄存器