模塊化LED大屏幕顯示器的設(shè)計(jì)

LED 大屏幕顯示器由于其醒目、內(nèi)容靈活多變等特點(diǎn)，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于廣告、信息發(fā)布、交通指示等公共場(chǎng)所，取得了良好效果。LED顯示屏主要分為數(shù)碼顯示和點(diǎn)陣顯示兩大數(shù)，本文只討論點(diǎn)陣顯示。目前的LED顯示屏基本上都是先由用戶提出要求，生產(chǎn)廠這根據(jù)需要訂做，每次都要重復(fù)設(shè)計(jì)電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，造成資源浪費(fèi)，而且若用戶的需求改變，改動(dòng)將十分困難。

實(shí)際上不論顯示屏的大小，其原理都是相同的，因此完全可以設(shè)計(jì)出一種標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的LED顯示屏，會(huì)對(duì)不同的需要，只需要得意組合相應(yīng)的模塊即可。本文介紹的就是一種模塊化的LED顯示屏，可以根據(jù)需要靈活改變大小，并可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)如閃爍、滾動(dòng)顯示等特效。對(duì)整體式顯示屏刷新率不足發(fā)生閃爍的常見問題，在這個(gè)設(shè)計(jì)中由于被分割成小模塊，不再成為問題。
1 基本原理

基本的設(shè)計(jì)思路是把整個(gè)顯示屏分成若干相同大小、相同功能的顯示模塊，而另外用一個(gè)中央控制模塊控制，同步所有顯示模塊的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)的顯示。

所以本系統(tǒng)主要由兩部分組成：顯示模塊和控制模塊。

顯示模塊實(shí)際都是相同大小的小LED驅(qū)動(dòng)板，能夠驅(qū)動(dòng)LED陣列，具有基本的顯示功能，并可以接收來自控制模塊的數(shù)據(jù)和命令，此外一些常用的顯示效果如閃爍、滾動(dòng)等也包括在顯示模塊中。現(xiàn)有國標(biāo)點(diǎn)陣漢字庫有16×16和24×24兩種，考慮到軟件編寫的方便和硬件的能力，我們把顯示模塊作為16× 16點(diǎn)陣大小。

控制模塊負(fù)責(zé)控制各顯示模塊，向各顯示模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和命令?？刂颇K儲(chǔ)存要顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)信息，定時(shí)向各顯示模塊下傳?？刂颇K上還帶有小鍵盤和通用異步串行口，即可以用鍵盤操作，也可以用計(jì)算機(jī)控制，還可以用計(jì)算機(jī)更新控制模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)。

顯示模塊和控制模塊之間用總線的方式連接，我們選用了I2C總線。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用有很大的自由度：控制模塊控制的顯示模塊數(shù)量可以改變，顯示模塊的排列方式也可以改變（如16個(gè)顯示模塊，既可以是2×8也可以是4× 4），對(duì)同一塊顯示屏可以保存若干條件用信息分別顯示，每條信息的點(diǎn)陣大小可以不同，超過屏幕大小的信息可以滾動(dòng)顯示出來。這樣基本可以滿足多種多樣的需求。

2 電路結(jié)構(gòu)

控制模塊的原理如圖1所示。

采用PIC16C73作為中央控制器。該單片機(jī)內(nèi)置I2C接口、串行口，而且具有比較強(qiáng)的口線驅(qū)動(dòng)能力（每根口線25mA），使用它可以簡化很多外圍電路。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用兩片EEPROM：X24256共提供64K字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，可以反復(fù)擦除重定民，掉電數(shù)據(jù)不丟失。如果全部用來顯示16×16點(diǎn)陣的漢字，可以顯示2000個(gè)左右。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與各個(gè)顯示模塊共用I2C總線，依靠各自的地址區(qū)分究竟是存儲(chǔ)器還是顯示模塊。

小鍵盤外接4個(gè)限流電阻直接接到CPU的口線上，對(duì)鍵盤采用4×4掃描方式。

控制模塊與計(jì)算機(jī)的連接使用RS232串行口，用一片MAX202做電平轉(zhuǎn)換。

此外控制模塊還帶有一個(gè)光強(qiáng)度傳感器，其作用是調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。由于白天和夜晚的環(huán)境光強(qiáng)差異很大，白天覺得合適的亮芳到了晚上可能會(huì)很刺眠，因此根據(jù)外界的光強(qiáng)使用這個(gè)傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示屏的度。這里使用的是TI公司的TLS235光頻轉(zhuǎn)換元件。

每個(gè)顯示模塊要驅(qū)動(dòng)一塊16×16的LED陣列，由于單片機(jī)的口線數(shù)量少，使用靜態(tài)顯示是不可能的，這里使用了動(dòng)態(tài)掃描顯示?？紤]到刷新速度的因素，使用16行掃描刷新可能會(huì)有閃爍，所以使用8行掃描、32位數(shù)據(jù)的方式。

每條數(shù)據(jù)線每個(gè)時(shí)刻只對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光單元，要求電流較小;而當(dāng)顯示屏全開的時(shí)候，8路共陽極掃描線將會(huì)對(duì)應(yīng)32個(gè)發(fā)光單元，電流要求大，所以兩端的驅(qū)動(dòng)電路是分別設(shè)計(jì)的。數(shù)據(jù)線端使用TI公司的4片TPIC6B595。掃描端使用Allegro公司的兩片2944。

顯示模塊與控制模塊用I2C總線相連。由于顯示模塊的任務(wù)只是顯示，所以不另外增加存儲(chǔ)器，只有內(nèi)部的RAM單元保存欲顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，并不停地掃描顯示到 LED陣列上。諸如滾動(dòng)、閃爍等顯示效果只是對(duì)顯示數(shù)據(jù)做額外處理，如滾動(dòng)顯示實(shí)際對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的移位操作。這些功能也編寫在顯示模塊中，由控制模塊發(fā)送命令激活這些功能。

此外需說明的是，顯示模塊的驅(qū)動(dòng)電路與LED陣列可以看作分離的兩部分，只要在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力范圍內(nèi)，可以使用發(fā)光單元不同的LED陣列，如1個(gè)發(fā)光單元僅為1個(gè)LED的小型顯示牌或者1個(gè)發(fā)光單元包括5～7個(gè)LED的大型顯示牌等。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件包括一個(gè)部分：顯示模塊、控制模塊和PC機(jī)。

顯示模塊的軟件主要包括掃描顯示、特效處理和I2C通信三部分。三顯示模塊

RAM中開辟出32字節(jié)作為顯示緩沖區(qū)，掃描顯示程序只是定時(shí)從顯示緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)發(fā)往移動(dòng)寄存器，并設(shè)置相對(duì)應(yīng)的掃描線，實(shí)現(xiàn)一次掃描。掃描顯示并不識(shí)別緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)是什么。掃描是利用了人眼的圖象滯留效果，如果掃描頻率達(dá)到60Hz以上，對(duì)掃描頻率的波動(dòng)就不大敏感了，所以這里的掃描顯示程序沒有使用定時(shí)器中斷，僅由循環(huán)完成。

特效處理是指對(duì)掃描緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)做移位的操作，主要對(duì)應(yīng)滾動(dòng)顯示效果。滾動(dòng)時(shí)每次滾動(dòng)一個(gè)像素行或列，大部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)存在于顯示模塊中，控制模塊發(fā)送滾動(dòng)命令時(shí)聯(lián)合國加兩個(gè)字節(jié)（1行或1列）的新數(shù)據(jù)。由于使用的掃描方式是32×8的方式，因此數(shù)據(jù)存放并非完全線性，而有跳躍存儲(chǔ)的部分，加之字符滾動(dòng)顯示有上下左右四個(gè)方向，要把新來的數(shù)據(jù)移入緩沖區(qū)并移出兩字節(jié)的舊數(shù)據(jù)，因而需要比較繁復(fù)的RAM地址計(jì)算。

I2C通信是PIC16C73內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)的功能，比較簡單，只用中斷就可實(shí)現(xiàn)。

顯示亮度的調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)發(fā)光單元點(diǎn)亮?xí)r間實(shí)現(xiàn)的。具體來講，由于是掃描顯示，每個(gè)發(fā)光單元最多只有1/8的時(shí)間可以點(diǎn)亮，如果這1/8的時(shí)間全部點(diǎn)亮，其效果就是最大亮度，如果在這1/8的時(shí)間內(nèi)仍有部分時(shí)間不亮，則總體的顯示亮度就下降。顯示模塊從控制模塊接收環(huán)境亮度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)這個(gè)點(diǎn)亮?xí)r間的比例，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度的功能。

控制模塊程序包括與顯示模塊的I2C通信，與EEPROM的I2C通信，與計(jì)算機(jī)的串行通信，數(shù)據(jù)的地址計(jì)算，外界光強(qiáng)度檢測(cè)幾個(gè)部分。

兩個(gè)I2C通信部分和串行通信由硬件支持，比較容易。外界光強(qiáng)度傳感器直接把光強(qiáng)轉(zhuǎn)化成頻率送入CPU，所以只要定時(shí)計(jì)數(shù)即可。比較復(fù)雜的部分是數(shù)據(jù)的地址計(jì)算。由于本系統(tǒng)的自由度、數(shù)據(jù)使用索引的辦法在EEPROM中存儲(chǔ)，地址計(jì)算邏輯上簡單但實(shí)現(xiàn)起來比較繁復(fù)，要對(duì)每個(gè)顯示模塊發(fā)送不同的內(nèi)容。對(duì)于滾動(dòng)顯示的情況則更加復(fù)雜。

如果是靜態(tài)顯示，則控制模塊僅接收到命令后傳送一次數(shù)據(jù)就進(jìn)入空閑等待：如果是閃爍、滾動(dòng)等顯示，則需要定時(shí)從EEPROM中取數(shù)據(jù)發(fā)生各顯示模塊。

PC機(jī)部分的程序主要是點(diǎn)陣編輯功能和RS232通信功能。點(diǎn)陣編輯不僅可以寫各種字體的字符，還可以繪制簡單圖形;RS232通信不僅包括所有可以用鍵盤實(shí)現(xiàn)的功能外，還可以直接在顯示屏上顯示圖形而不用先保存到控制模塊中，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的信息發(fā)布。

本系統(tǒng)對(duì)常用的LED大屏幕顯示裝置作了規(guī)范化、模塊化的有益嘗試，并已應(yīng)用在交通狀況顯示場(chǎng)合，取得了良好效果，證明該設(shè)計(jì)是合理可行的。由于設(shè)計(jì)時(shí)為使用保留了很大自由芳，使得它可以靈活組合運(yùn)用于各種不同需求的場(chǎng)合，而不必重復(fù)設(shè)計(jì)，有效節(jié)約了資源。由于最初本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)比較小的顯示屏，怕以選用了 I2C總線，如果要做相當(dāng)大的顯示零還可以換成RS485等總線，提供更大的擴(kuò)展余地。此外基于這個(gè)設(shè)計(jì)思路，還可以進(jìn)一步開發(fā)彩色LED大屏幕顯示屏等產(chǎn)品。