【文章內(nèi)容簡介】 36 附錄 1 系統(tǒng)硬件原理圖 37 附錄 2 設計程序 38 附錄 3 系統(tǒng) PCB 圖 46 本科生畢業(yè)論文 1 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 甚至 幾十萬個半導體發(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。 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，在信息顯示領域得到了廣泛的應用。 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顯示屏的應用涉及社會經(jīng)濟的許多領域，主要包括：（ 1）證券交易、金融信息顯示。（ 2）機場航班動態(tài)信息顯示。（ 3）港口、車站旅客引導信息顯示。（ 4）體育場館信息顯示。（ 5）道路交通信息顯示。（ 6）調(diào)度指揮中心信息顯示。（ 7）郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業(yè)務宣傳及信息顯示。（ 8）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 我國的 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾 年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，至 1998 年底，年度銷售總額在 1000 萬元以上的企業(yè)有 20多家，其銷售總額達 6 億元左右，占行業(yè)市場總額的 85%以上。全國從事 LED 顯示屏的各類企業(yè)有 100 余家，從業(yè)人員近 6000 人，行業(yè)年度銷售總額近 8 億元人民幣， 1996 年、 1997 年的增長速度均保持 40%左右， 1998 年略有回落。在國內(nèi)市場上，國產(chǎn) LED 顯示屏的市場占有率近 100%，國外同類產(chǎn)品基本沒有市場，四十三屆世乒賽主會場天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機場、浦東機場等，均由國內(nèi) 代表企業(yè)中標。技術水平相對領先 ,我國 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時，產(chǎn)品技術推陳出新，一直保持比較先進的水平。 90 年代初即具備了成熟的 16本科生畢業(yè)論文 2 級灰度 256 色視頻控制技術及無線遙控等國際先進水平技術，近年在全彩色 LED顯示屏、 256 級灰度視頻控制技術、集群無經(jīng)線控制、多級群控技術等方面均有國內(nèi)先進、達到國際水平的技術和產(chǎn)品出現(xiàn)； LED 顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國內(nèi)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并得到應用。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)形成了一批 LED 顯示屏科技隊伍，在全國 LED 顯示屏行業(yè)的從業(yè)人數(shù) 6000 人中，科技人員有 2800 多 人，將近 50%。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領域唯一立足國內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。 （ 2） LED 顯示屏的發(fā)展趨勢 現(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)品和技術得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀的顯示技術將是平板顯示的時代， LED 顯示屏作為平板顯示的主導產(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?；A材料的產(chǎn)業(yè)化。使 LED 全彩色顯示產(chǎn)品成本下 降，應用加快。 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 顯示屏會向著標準化、規(guī)范化，產(chǎn)品結構多樣化的方向發(fā)展 [2]。 （ 3）選題意義 該設計課題使我們能 夠掌握 LED 顯示屏的基本顯示原理和設計方法，對 LED顯示屏這個行業(yè)有了較為深刻的了解和認識。并且對大學期間所學習的一些理論進行了實踐，使我們對所學過的理論知識有了新的認識。并且通過該設計課題掌握了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，相關的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應該清楚的認識到我國的 LED 技術雖然發(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 顯示技術的發(fā)展都有非?，F(xiàn)實與積極的意義。 本科生畢業(yè)論文 3 論文主要內(nèi)容 針對設計題目的特點，作者對論文的內(nèi)容和結構將做如下安排： （ 1）初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關資料，并參照目前通用的設計思想和設計方法擬定幾套設計方案進行分析比較。最終選定了以 PC 機為上位機，單片機為核心控制器件，外加譯碼電路和驅(qū)動電路的設計方案。 （ 2）方案實現(xiàn) 以設計方案為指導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）驗證與測試 調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試幾步來進行。在硬件調(diào)試中 發(fā)現(xiàn)有單片機端口驅(qū)動能力不足、驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定等問題。在軟件調(diào)試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)調(diào)等問題。通過分析，查找找出了問題原因并設法將其解決。 （ 5）結論 設計完成后對設計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓、以及自己的想法進行總結。 本科生畢業(yè)論文 4 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計時常常采用模塊化的設計方法。硬件的設計采用模塊化設計，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)及上位機四部分組成。上位機通過通信部分向控制部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，控制部分執(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。 通 信 部 分 控 制 部 分 顯 示 部 分上 位 機 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，其功能為與上位機通信接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令處理過后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設計方法有單片機、DSP、及 EDA 技術。幾種設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，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)字信號處理領域，非常適合高密度，重復運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于通信、便本科生畢業(yè)論文 5 攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設備等領域， DSP具有修正的哈佛結構，多總線技術以及流水線結構。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，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） EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設計自動化，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 ， 直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射 和編程下載等。設計者只需用 HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述，借助 EDA 工具就可得到設計結果 ,將編譯后的代碼下載到目標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構和工作方式進行重構，修改軟件程序就相當于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設計方案，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用領域前景廣 闊；另一方面， FPGA/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，但單片機的技術門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學者進行學習和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中 應用最廣泛的單片機首推 Intel 的 51系列，由于產(chǎn)品硬件結構合理，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)勢常作為單片機學習的教材。 且 51 系列的 I/O 腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設 置為高電平（復位時，各 I/O 口均置高電平）。當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計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。因為通常情況下本科生畢業(yè)論文 6 顯示屏和上位機的距離不會很遠，所以通信距離的要求不是很高。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，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，構成一個串行口 [6]。 綜上所述，題目設計已經(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)光二極管點陣構成的，要構成大屏幕的 LED 顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。構成 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)光二極管構成的 LED 點陣子模塊構成大的 LED 點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有 8 1616幾種；這兩種屏幕構成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構成顯示屏優(yōu)點在于當單個的發(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雜；而點陣模塊構成的方法卻正好與之相反，模塊構成省約了大量的 連線，不過當一個 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。 本科生畢業(yè)論文 7 兩種方法相比較，決定采取模塊構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)這一問題的風險。所以構建一個 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?。娏鲗嶋H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]。 硬件設計方案 最終方案如圖 23 所示，以 PC 機作為上位機存儲和處理顯示內(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)上位 機傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴展后驅(qū)動 4 塊 88LED 點陣模塊構成的 1616 的 LED 點陣顯示屏。題目將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設計。 本科生畢業(yè)論文 8 單片機譯碼電路1 6 1 6 L E D顯 示 屏顯示驅(qū)動電路串行通信P C 機 圖 23 硬