点阵式led汉字广告屏的设计与制作毕业设计 - 图文 - 下载本文

第2章 显示原理及控制方式分析

2.1 LED点阵模块结构

八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块,以发光二极管为像素,它用高亮度发光二极管芯阵列组合后,环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块,具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。

根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同,所显示的文字、图象等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色,双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定,如红绿都亮时可显示黄色,如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间,则可实现256或更高级灰度显示,即可实现真彩色显示。

图2.1示出最常见的8×8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格,其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。

图2.1 8×8单色LED模块内部电路

LED点阵显示器单块使用时,既可代替数码管显示数字,也可显示各种中西文字及符号.如5x7点阵显示器用于显示西文字母.5×8点阵显示器用于显示中西文,8x8点阵可以用于显示简单的中文文字,也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器,但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。

2.2 LED 动态显示原理

LED点阵显示系统中各模块的显示方式: 有静态和动态显示两种。静态显示原理

简单、控制方便,但硬件接线复杂,在实际应用中一般采用动态显示方式,动态显示采用扫描的方式工作,由峰值较大的窄脉冲电压驱动,从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通,同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号,反复循环以上操作,就可显示各种图形或文字信息。

点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式,这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示,只要帧速率高于24帧/秒,人眼看起来就是一个完整的,相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电子领域中,因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量,因此在LED显示技术中被广泛使用。

以8×8点阵模块为例,说明一下其使用方法及控制过程。图2.1中,红色水平线Y0、Y1……Y7叫做行线,接内部发光二极管的阳极,每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样,蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线,接内部每列8个LED的阴极,相邻两列线间绝缘。

在这种形式的LED点阵模块中,若在某行线上施加高电平(用“1”表示),在某列线上施加低电平(用“0”表示)。则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。比如,Y7为1,X0为0,则右下角的LED点亮。再如Y0为1,X0到X7均为0,则最上面一行8个LED全点亮。

现描述一下用动态扫描显示的方式,显示字符“B”的过程。其过程如图2.2

图2.2 用动态扫描显示字符“B”的过程

假设X,Y为两个8位宽的字节型数据,X的每位对应LED模块的8根列线X7-X0,同样Y的每位对应LED模块的8根行线Y7-Y0。在这个示例中,Y叫行扫描线,行扫描线在每个时刻只有一根线为“1”即有效行选通电平,X叫列数据线,其内容就是点阵

化的字模数据的体现。下面用伪代码描述动态显示的过程。

(1).Y=0x01,X=0xFF,如图 2.2第一帧; (2).Y=0x02,X=0x87,如图 2.2第二帧; (3).Y=0x04,X=0xBB,如图 2.2第三帧; (4).Y=0x08,X=0xBB,如图 2.2第四帧; (5).Y=0x10,X=0x87,如图 2.2第五帧; (6).Y=0x20,X=0xBB,如图 2.2第六帧; (7).Y=0x40,X=0xBB,如图 2.2第七帧; (8).Y=0x80,X=0x87,如图 2.2第八帧; (9).跳到第(1)步循环。

如果高速地进行(1)到(9)的循环,且两个步骤间的间隔时间小于1/24秒,由于视觉暂留。LED显示屏上将呈现出一个完整的“B”字符。这就是动态扫描的原理。只不过实际运用的时候,列线和行线通常不止8位,还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做扫描线。例如0601条屏(每行6个汉字,共1行),行线有16根,列线有96根。如果用列线来做扫描线,则每列LED在每96次循环扫描中只可能亮一次,则其发光视觉平均亮度为直流亮度的1/96。如果用行线来做扫描线,则每16次循环,每行LED就能亮一次,其发光视觉平均亮度为直流情况下的1/16。可见,用行线做扫描线,因为其发光周期的占空比较大,其视觉亮度是用列线做扫描线的6倍。因而发光效率比前者高。

在实际运用的时候,还要在每两帧之间加上合适的延时,以使人眼能清晰的看见发光。在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。比如先将扫描线全部设置为无效电平,送下一行的列数据后再选通扫描线,避免出现尾影。

2.3 LED常见的控制方式

目前常见的是并行传输方式(见附录1.1),通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示,各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快,对微控制器(MCU)的通信速度要求较低。但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个16×16点阵的全角汉字显示单元,就需要在之前的电路上多增加两根地址线,这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。

再一个缺点是,每个单元的PCB随着安放位置的不同,布线结构也不相同,不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多,因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件(PLD)来取代传统锁存器IC的方案。成本有所下降,但可扩展性仍旧较差。因此,并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。

随着广告屏显示内容的多媒体化,对控制器传输速度,运算能力的要求越来越高。因此控制器的种类也在不断发展以适应要求,从最初的8051单片机,到PIC单片机,又到FPGA,直到现在的ARM处理器。不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。

一.以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。因受到单片机运算速度及通信速率的限制,LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果和移动算法的处理也比较吃力,在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外,传统8051单片机的内部资源贫乏,仅128字节的数据存储器,几K字节的程序存储器,无E2PROM,SPI。这就需要对单片机扩展外设,无疑增加了硬件成本。因此,8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单,不需要经常更改显示内容的场合。

二.以PIC单片机为控制器的LED显示屏。因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机,处理指令的速度有所增加,抗干扰能力优秀,型号种类繁多。作为条屏的控制器,可以明显的改善显示效果,同时PIC单片机内部的资源较丰富,可节省外部电路设计难度,同时降低了硬件成本。因此,以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。

三.以FPGA(复杂可编程逻辑门阵列)为控制器的LED显示屏。FPGA以高速、并行著称。是近年来新兴的可编程逻辑器件。用他作为LED显示屏的控制器,能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。因此被运用于双基色、三基色的显示系统。但是其成本较高,开发难度较大。

四.以ARM(32位RISC架构高性能微处理器)为控制器的LED显示屏。ARM有着极高的指令效率,极高的时钟频率。因此其运算能力非常强大,内部资源也十分丰富,极大的简化了硬件设计的难度,缩短了开发周期。在条屏的运用中,能用ARM来实现花样繁多的显示方式,以及高色阶,多像素的全彩屏驱动。ARM与FPGA的组合更是功能强大,除了海量存储技术,无线更新技术外,还能实时地显示视频信号。因此,以ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。

第3章 总体方案设计与分析

3.1 显示单元的考虑

显示一个简体汉字,至少需要16×16点阵来描述。为了在较远距离处获得清晰的视觉效果,本设计采用4个8×8点阵,像素直径5mm的LED模块拼接成16×16点阵的LED阵列。这样每个16×16汉字能够获得12×12cm的显示尺寸,因此在50米处仍能清晰阅读。本设计要求整个屏幕能同时显示六个汉字,则至少需要用24个8×8的LED模块拼接成96×16的矩阵。

3. 2 滚屏的实现

字符的位置在屏幕上实现移动,即术语“滚屏”。可以用硬件实现,但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。因此本设计采用软件算法实现左滚屏、左暂停、定格显示等常见滚屏方式。用软件来完成滚屏算法,其最大的优点在于成本低廉,而且可维护性、可升级性大大增强。

3. 3 关于可扩展性

除了基本要求外,本设计还要实现显示单元数目的随意扩展。在传统的并行传输方式中,因受到列数据锁存器地址线数目的制约,不能随意的增添显示单元,且每个显示单元的电路结构不同,PCB结构也不同,完全不符合模块化设计的要求。因此摒弃了传统的并行传输方式,而采用独特的串行锁存技术,通过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。不仅板间连接简单,更是降低了PCB布局及布线的难度。每个显示单元的PCB都是完全一样的,便于量产。

3.4 微控制器的考虑

因本设计采用软件来实现滚屏,且传输方式为串行方式。所以对微控制器单元的处理速度要求较高,可供选择的有ARM7和高速8位单片机。ARM的处理速度极快,但对于条屏的应用,ARM内部的资源浪费严重,且成本较高。因此选择高速8位单片机作为控制器,常见的高速8位单片机有AVR系列单片机,C8051F系列单片机,STC12C系列单片机。这几种单片机的处理速度均能达到1MIPS/MHz(在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令),但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz,而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源,