模塊化LED大屏幕顯示器的電路軟硬件設計

　　摘要：針對現有的LED大屏幕顯示器需重復設計、成本高等問(wèn)題，提出了一種模塊化設計的LED大屏幕顯示器，可以實(shí)現靈活配置、脫機運行、特效顯示等，并簡(jiǎn)要介紹了其硬件結構和軟件功能?！　?/P>

　　LED大屏幕顯示器由于其醒目、內容靈活多變等特點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多地應用于廣告、信息發(fā)布、交通指示等公共場(chǎng)所，取得了良好效果。LED顯示屏主要分為數碼顯示和點(diǎn)陣顯示兩大數，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(hù)提出要求，生產(chǎn)廠(chǎng)這根據需要訂做，每次都要重復設計電路和機械結構，造成資源浪費，而且若用戶(hù)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，因此完全可以設計出一種標準化、模塊化的LED顯示屏，會(huì )對不同的需要，只需要得意組合相應的模塊即可。本文介紹的就是一種模塊化的LED顯示屏，可以根據需要靈活改變大小，并可以脫離計算機獨立運行，還可以實(shí)現如閃爍、滾動(dòng)顯示等特效。對整體式顯示屏刷新率不足發(fā)生閃爍的常見(jiàn)問(wèn)題，在這個(gè)設計中由于被分割成小模塊，不再成為問(wèn)題。

　　1 基本原理

　　基本的設計思路是把整個(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行，實(shí)現整體協(xié)調的顯示。

　　所以本系統主要由兩部分組成：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驅動(dòng)板，能夠驅動(dòng)LED陣列，具有基本的顯示功能，并可以接收來(lái)自控制模塊的數據和命令，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?，F有國標點(diǎn)陣漢字庫有16×16和24×24兩種，考慮到軟件編寫(xiě)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。

　　控制模塊負責控制各顯示模塊，向各顯示模塊發(fā)送數據和命令?？刂颇K儲存要顯示的點(diǎn)陣數據信息，定時(shí)向各顯示模塊下傳?？刂颇K上還帶有小鍵盤(pán)和通用異步串行口，即可以用鍵盤(pán)操作，也可以用計算機控制，還可以用計算機更新控制模塊內的數據。

　　顯示模塊和控制模塊之間用總線(xiàn)的方式連接，我們選用了I2C總線(xiàn)。

　　整個(gè)系統的設計使用有很大的自由度：控制模塊控制的顯示模塊數量可以改變，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(guò)屏幕大小的信息可以滾動(dòng)顯示出來(lái)。這樣基本可以滿(mǎn)足多種多樣的需求。

　　2 電路結構

　　控制模塊的原理如圖1所示。

　　采用PIC16C73作為中央控制器。該單片機內置I2C接口、串行口，而且具有比較強的口線(xiàn)驅動(dòng)能力（每根口線(xiàn)25mA），使用它可以簡(jiǎn)化很多外圍電路。

　　數據存儲使用兩片EEPROM：X24256共提供64K字節的數據空間，可以反復擦除重定民，掉電數據不丟失。如果全部用來(lái)顯示16×16點(diǎn)陣的漢字，可以顯示2000個(gè)左右。數據存儲器與各個(gè)顯示模塊共用I2C總線(xiàn)，依靠各自的地址區分究竟是存儲器還是顯示模塊。

　　小鍵盤(pán)外接4個(gè)限流電阻直接接到CPU的口線(xiàn)上，對鍵盤(pán)采用4×4掃描方式。

　　控制模塊與計算機的連接使用RS232串行口，用一片MAX202做電平轉換。

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

　　每個(gè)顯示模塊要驅動(dòng)一塊16×16的LED陣列，由于單片機的口線(xiàn)數量少，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位數據的方式。

　　每條數據線(xiàn)每個(gè)時(shí)刻只對應一個(gè)發(fā)光單元，要求電流較??；而當顯示屏全開(kāi)的時(shí)候，8路共陽(yáng)極掃描線(xiàn)將會(huì )對應32個(gè)發(fā)光單元，電流要求大，所以?xún)啥说尿寗?dòng)電路是分別設計的。數據線(xiàn)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(xiàn)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器，只有內部的RAM單元保存欲顯示的點(diǎn)陣數據，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顯示數據做額外處理，如滾動(dòng)顯示實(shí)際對應數據的移位操作。這些功能也編寫(xiě)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(shuō)明的是，顯示模塊的驅動(dòng)電路與LED陣列可以看作分離的兩部分，只要在驅動(dòng)電路的驅動(dòng)能力范圍內，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 軟件設計

　　本系統的軟件包括一個(gè)部分：顯示模塊、控制模塊和PC機。

　　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CPU的RAM中開(kāi)辟出32字節作為顯示緩沖區，掃描顯示程序只是定時(shí)從顯示緩沖區中取數據發(fā)往移動(dòng)寄存器，并設置相對應的掃描線(xiàn)，實(shí)現一次掃描。掃描顯示并不識別緩沖區里的數據是什么。掃描是利用了人眼的圖象滯留效果，如果掃描頻率達到60Hz以上，對掃描頻率的波動(dòng)就不大敏感了，所以這里的掃描顯示程序沒(méi)有使用定時(shí)器中斷，僅由循環(huán)完成。

　　特效處理是指對掃描緩沖區的數據做移位的操作，主要對應滾動(dòng)顯示效果。滾動(dòng)時(shí)每次滾動(dòng)一個(gè)像素行或列，大部分數據已經(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（1行或1列）的新數據。由于使用的掃描方式是32×8的方式，因此數據存放并非完全線(xiàn)性，而有跳躍存儲的部分，加之字符滾動(dòng)顯示有上下左右四個(gè)方向，要把新來(lái)的數據移入緩沖區并移出兩字節的舊數據，因而需要比較繁復的RAM地址計算。

　　I2C通信是PIC16C73內部硬件實(shí)現的功能，比較簡(jiǎn)單，只用中斷就可實(shí)現。

　　顯示亮度的調節功能是通過(guò)調節發(fā)光單元點(diǎn)亮時(shí)間實(shí)現的。具體來(lái)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)境亮度數據，調節這個(gè)點(diǎn)亮時(shí)間的比例，以實(shí)現調節亮度的功能。

　　控制模塊程序包括與顯示模塊的I2C通信，與EEPROM的I2C通信，與計算機的串行通信，數據的地址計算，外界光強度檢測幾個(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。外界光強度傳感器直接把光強轉化成頻率送入CPU，所以只要定時(shí)計數即可。比較復雜的部分是數據的地址計算。由于本系統的自由度、數據使用索引的辦法在EEPROM中存儲，地址計算邏輯上簡(jiǎn)單但實(shí)現起來(lái)比較繁復，要對每個(gè)顯示模塊發(fā)送不同的內容。對于滾動(dòng)顯示的情況則更加復雜。

　　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據就進(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中取數據發(fā)生各顯示模塊。

　　PC機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(xiě)各種字體的字符，還可以繪制簡(jiǎn)單圖形；RS232通信不僅包括所有可以用鍵盤(pán)實(shí)現的功能外，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)現即時(shí)的信息發(fā)布。

　　本系統對常用的LED大屏幕顯示裝置作了規范化、模塊化的有益嘗試，并已應用在交通狀況顯示場(chǎng)合，取得了良好效果，證明該設計是合理可行的。由于設計時(shí)為使用保留了很大自由芳，使得它可以靈活組合運用于各種不同需求的場(chǎng)合，而不必重復設計，有效節約了資源。由于最初本系統對應一個(gè)比較小的顯示屏，怕以選用了I2C總線(xiàn)，如果要做相當大的顯示零還可以換成RS485等總線(xiàn)，提供更大的擴展余地。此外基于這個(gè)設計思路，還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)彩色LED大屏幕顯示屏等產(chǎn)品。