摘 要： 針對現(xiàn)有的LED大屏幕顯示器需重復(fù)設(shè)計、成本高等問題，提出了一種模塊化設(shè)計的LED大屏幕顯示器，可以實現(xiàn)靈活配置、脫機(jī)運行、特效顯示等，并簡要介紹了其硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能。
關(guān)鍵詞: LED 大屏幕 模塊 I2C總線
LED大屏幕顯示器由于其醒目、內(nèi)容靈活多變等特點，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于廣告、信息發(fā)布、交通指示等公共場所，取得了良好效果。LED顯示屏主要分為數(shù)碼顯示和點陣顯示兩大類，本文只討論點陣顯示。目前的LED顯示屏基本上都是先由用戶提出要求，生產(chǎn)廠家根據(jù)需要訂做。每次都要重復(fù)設(shè)計電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，造成資源浪費，而且若用戶的需求改變，改動將十分困難。
實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)計出一種標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的LED顯示屏，針對不同的需要，只需要簡單組合相應(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，并可以脫離計算機(jī)獨立運行，還可以實現(xiàn)如閃爍、滾動顯示等特效。對整體式顯示屏刷新率不足發(fā)生閃爍的常見問題，在這個設(shè)計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)計思路是把整個顯示屏分成若干相同大小、相同功能的顯示模塊，而另外用一個中央控制模塊控制，同步所有顯示模塊的運行，實現(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。
顯示模塊實際都是相同大小的小LED驅(qū)動板，能夠驅(qū)動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、滾動等也包括在顯示模塊中?，F(xiàn)有國標(biāo)點陣漢字庫有16×16和24×24兩種，考慮到軟件編寫的方便和硬件的能力，我們把顯示模塊作成16×16點陣大小。
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儲存要顯示的點陣數(shù)據(jù)信息，定時向各顯示模塊下傳。控制模塊上還帶有小鍵盤和通用異步串行口，既可以用鍵盤操作，也可以用計算機(jī)控制，還可以用計算機(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。
整個系統(tǒng)的設(shè)計使應(yīng)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常用信息分別顯示，每條信息的點陣大小可以不同，超過屏幕大小的信息可以滾動顯示出來。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)擦除重寫，掉電數(shù)據(jù)不丟失。如果全部用來顯示16×16點陣的漢字，可以顯示2000個左右。數(shù)據(jù)存儲器與各個顯示模塊共用I2C總線，依靠各自的地址區(qū)分究竟是存儲器還是顯示模塊。
小鍵盤外接4個限流電阻直接接到CPU的口線上，對鍵盤采用4×4掃描方式。
控制模塊與計算機(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，白天覺得合適的亮度到了晚上可能會很刺眼，因此根據(jù)外界的光強(qiáng)使用這個傳感器自動調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。這里使用的是TI公司的TSL235光頻轉(zhuǎn)換元件。
顯示模塊的原理如圖2所示。
每個顯示模塊要驅(qū)動一塊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)線每個時刻只對應(yīng)一個發(fā)光單元，要求電流較小;而當(dāng)顯示屏全開的時候，8路共陽極掃描線將會對應(yīng)32個發(fā)光單元，電流要求大，所以兩端的驅(qū)動電路是分別設(shè)計的。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器，只用內(nèi)部的RAM單元保存欲顯示的點陣數(shù)據(jù)，并不停地掃描顯示到LED陣列上。諸如滾動、閃爍等顯示效果只是對顯示數(shù)據(jù)做額外處理，如滾動顯示實際對應(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)動電路與LED陣列可以看作分離的兩部分，只要在驅(qū)動電路的驅(qū)動能力范圍內(nèi)，可以使用發(fā)光單元不同的LED陣列，如1個發(fā)光單元僅為1個LED的小型顯示牌或者1個發(fā)光單元包括5~7個LED的大型顯示牌等。
3 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件包括三部分: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。在顯示模塊CPU的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從顯示緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)發(fā)往移位寄存器，并設(shè)置相對應(yīng)的掃描線，實現(xiàn)一次掃描。掃描顯示并不識別緩沖區(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，對掃描頻率的波動就不大敏感了，所以這里的掃描顯示程序沒有使用定時器中斷，僅由循環(huán)完成。
特效處理是指對掃描緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)做移位的操作，主要對應(yīng)滾動顯示效果。滾動時每次滾動一個像素行或列，大部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)存在于顯示模塊中，控制模塊發(fā)送滾動命令時附加兩個字節(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，而有跳躍存儲的部分，加之字符滾動顯示有上下左右四個方向，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地址計算。
I2C通信是PIC16C73內(nèi)部硬件實現(xiàn)的功能，比較簡單，只用中斷就可實現(xiàn)。
顯示亮度的調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)發(fā)光單元點亮?xí)r間實現(xiàn)的。具體來講，由于是掃描顯示，每個發(fā)光單元最多只有1/8的時間可以點亮，如果這1/8的時間全部點亮，其效果就是最大亮度，如果在這1/8的時間以內(nèi)仍有部分時間不亮，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)這個點亮?xí)r間的比例，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度的功能。
控制模塊的程序包括與顯示模塊的I2C通信，與EEPROM的I2C通信，與計算機(jī)的串行通信，數(shù)據(jù)的地址計算，外界光強(qiáng)度檢測幾個部分。
兩個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，所以只要定時計數(shù)即可。比較復(fù)雜的部分是數(shù)據(jù)的地址計算。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，地址計算邏輯上簡單但實現(xiàn)起來比較繁復(fù)，要對每個顯示模塊發(fā)送不同的內(nèi)容。對于滾動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、滾動等顯示，則需要定時從EEPROM中取數(shù)據(jù)發(fā)往各顯示模塊。
PC機(jī)部分的程序主要是點陣編輯功能和RS232通信功能。點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，實現(xiàn)即時的信息發(fā)布。
本系統(tǒng)對常用的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合，取得了良好效果，證明該設(shè)計是合理可行的。由于設(shè)計時為使用保留了很大自由度，使得它可以靈活組合運用于各種不同需求的場合，而不必重復(fù)設(shè)計，有效節(jié)約了資源。由于最初本系統(tǒng)對應(yīng)一個比較小的顯示屏，所以選用了I2C總線，如果要做相當(dāng)大的顯示屏還可以換成RS485等總線，提供更大的擴(kuò)展余地。此外基于這個設(shè)計思路，還可以進(jìn)一步開發(fā)彩色LED大屏幕顯示屏等產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
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