LED大屏幕控制電路設(shè)計方案研究

摘要：在綜合分析LED大屏幕顯示系統(tǒng)設(shè)計中控制電路的諸多設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，分別給出了以單片機、可編程邏輯器件和嵌入式計算機技術(shù)為控制核心的不同設(shè)計方案的實現(xiàn)方法，對這幾種方案的特點進行了比較，并介紹了應(yīng)用情況。

LED點陣是公共信息的一種重要顯示終端，其中大屏幕LED點陣顯示屏在許多場合得以應(yīng)用。大屏幕顯示技術(shù)比中小屏幕顯示難度更大，因為其屏幕大，LED點數(shù)多，而又要在極短時間內(nèi)刷新每個點，這就要求其掃描速率必須非常高，此外，大屏幕作為信息發(fā)布的重要媒介，對其穩(wěn)定性、可靠性以及可擴展性要求都很高，只有設(shè)計合理的控制電路才能滿足上述要求。本文著重討論LED大屏幕設(shè)計中控制電路的幾種設(shè)計方法，針對不同的設(shè)計要求給出了不同的解決方案。

1LED大屏幕系統(tǒng)的工作原理

典型的LED大屏幕顯示系統(tǒng)主要由信號控制系統(tǒng)p掃描和驅(qū)動電路以及LED陣列組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前大多數(shù)LED顯示屏的屏幕設(shè)計采用的是模塊化的結(jié)構(gòu)，它的基本單元是LED顯示單元模塊，屏幕大小和形狀可靈活改變，顯示屏的安裝和維護也十分方便。

圖1系統(tǒng)原理框圖

信號控制系統(tǒng)是微機系統(tǒng)p單片機系統(tǒng)p微機Z單片機主從控制系統(tǒng)p可編程邏輯器件控制系統(tǒng)、紅外遙控系統(tǒng)p傳呼接收與控制系統(tǒng)等等。信號控制系統(tǒng)的任務(wù)是生成或接收LED顯示所需的數(shù)字信號，并控制整個LED顯示系統(tǒng)的各個部件按一定的分工和時序協(xié)調(diào)工作。行驅(qū)動電路多為三極管陣列，給LED提供大電流。列驅(qū)動由串入并出移位寄存器和鎖存器（或帶鎖存功能的移位寄存器）構(gòu)成。

待顯示數(shù)據(jù)就緒后，控制系統(tǒng)首先將第一行數(shù)據(jù)送入移位寄存器并鎖存，然后由行掃描電路選通LED陣列的第一行，點亮一段時間后，再以同樣方法顯示后續(xù)行，直至完成一幀的顯示內(nèi)容，如此循環(huán)往復(fù)。根據(jù)視覺暫留的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)24f/s的顯示才能夠讓肉眼沒有明顯的停頓感，相當(dāng)于響應(yīng)時間要達到，40ms以下。當(dāng)LED顯示屏面積很大時，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也非常大，從而增加了顯示系統(tǒng)的響應(yīng)時間引起閃爍，為提高視覺效果，可以分區(qū)并行顯示。

在高速動態(tài)顯示時，LED的發(fā)光亮度與掃描周期內(nèi)的發(fā)光時間成正比，所以通過調(diào)制LED的發(fā)光時間與掃描周期的比值（即占空比）可以實現(xiàn)灰度顯示。

2LED大屏幕控制電路的設(shè)計

控制電路的設(shè)計是大屏幕系統(tǒng)設(shè)計的核心，控制電路設(shè)計包括信號控制系統(tǒng)、掃描電路和驅(qū)動電路的設(shè)計，控制電路的設(shè)計一般由數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)緩存器、計數(shù)器p同步控制器p讀寫控制器p主從控制器、地址控制器、幀存儲器p數(shù)據(jù)選擇器、灰度調(diào)制器、移位寄存器等構(gòu)成。目前來說，LED顯示屏控制電路設(shè)計廣泛采用兩類器件作為其控制核心來實現(xiàn)，一類是單片機控制系統(tǒng)，另一類是可編程邏輯器件。

2。1基于單片機的控制電路設(shè)計方案

基于單片機的控制電路主要有兩種方案，一種是一片單片機作為主控器件控制和協(xié)調(diào)大屏幕整個顯示系統(tǒng)的顯示，一種是多片單片機構(gòu)成多處理器，其中一片作為主CPU，其它作為子CPU一起控制大屏幕的顯示。

圖2是采用單片CPU設(shè)計的控制電路機構(gòu)示意圖，用89C52單片機作為控制核心。單片機接收從PC機或其他信息源發(fā)送來的顯示數(shù)據(jù)，存儲在Flash中，同時用RAM6264作為場顯示緩存區(qū)，以實現(xiàn)不同顯示播出方式。89C52控制切換開關(guān)C1，C3和C2，C4同時對幀存儲器A，B交替進行數(shù)據(jù)的讀寫操作，將讀出的數(shù)據(jù)進行并行5串行轉(zhuǎn)換送給顯示屏進行顯示刷新。其中，自動地址生成器由4個計數(shù)器串聯(lián)構(gòu)成，并配以振蕩電路提供計數(shù)時鐘，對于一個M×N個像素的單色屏，當(dāng)刷新頻率為60Hz時，計數(shù)頻率為M×N×60Hz對于多灰度級彩色大屏幕，數(shù)據(jù)送到顯示屏之前要進行灰度調(diào)制重現(xiàn)圖像的色彩，對數(shù)據(jù)的處理速度要求更高，采用單片機控制可能在速度上無法滿足要求。

圖2單片CPU控制電路結(jié)構(gòu)示意圖

由于目前很多單片機的I/O口具備了15mA以上的驅(qū)動能力且價格比較便宜，因此在大屏幕的設(shè)計中也采用多處理器方案。系統(tǒng)的基本特點是：一個顯示組中有多個處理器，包括一個主CPU和多個子CPU，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。主CPU的任務(wù)是通過數(shù)據(jù)采集或與外界通信等獲取顯示信息，再傳輸給子CPU，主CPU還負責(zé)行掃描和發(fā)送顯示同步信息等。子CPU接收主CPU的數(shù)據(jù)信息并存放到內(nèi)部RAM。中，再根據(jù)主CPU發(fā)出的控制信息選擇適當(dāng)?shù)牧休敵隹谶M行列掃描。假設(shè)每個子CPU可用作輸出口的最多引腳數(shù)為m，而每塊LED矩陣的列數(shù)為n，則每塊芯片所能驅(qū)動的LED塊最大數(shù)為m/n這樣，每個單片機負責(zé)一塊或幾塊>LED塊，靈活性強，便于擴展，同時減輕了主CPU的負擔(dān)，提高了點陣的刷新頻率。

圖3多CPU控制電路結(jié)構(gòu)示意圖

在多畫面顯示的大屏幕設(shè)計中，這種方案較為理想，對不同的顯示畫面采用單獨的子CPU進行列掃描，再通過主CPU進行統(tǒng)一的行掃描，雖然控制電路使用的元件較多，但電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

2。2基于CPLD/FPGA的控制電路設(shè)計方案

頻圖像信號頻率高：數(shù)據(jù)量大，要求實時處理，加之LED大屏幕電路的數(shù)字邏輯相當(dāng)復(fù)雜，采用CPLD/FPGA設(shè)計控制電路，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試。圖4是CPLD/FPGA設(shè)計控制電路的原理圖。采用CPLD/FPGA器件對其中的同步控制、主從控制、讀寫控制和灰度調(diào)制等大量電路進行了集成，使圖像數(shù)據(jù)處理更為快速，圖像更加穩(wěn)定，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠性有所提高。

圖4CPLD/FPGA控制電路原理圖

圖4中虛線以外的其它功能模塊均有CPLD/FPGA編程實現(xiàn)，將復(fù)雜的硬件電路設(shè)計通過軟件編程來取代。與圖2的單片機控制電路對比來看，電路結(jié)構(gòu)明顯更簡潔，電路的面積減小及可靠性增強，調(diào)試也更為簡單，由于CPLD/FPGA可以并行處理多個進程，比起單片機對任務(wù)的順序處理效率更高，點陣的刷新頻率也隨之提高。