摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有的LED大屏幕顯示器需重復(fù)設(shè)計(jì)、成本高等問(wèn)題，提出了一種模塊化設(shè)計(jì)的LED大屏幕顯示器，可以實(shí)現(xiàn)靈活配置、脫機(jī)運(yùn)行、特效顯示等，并簡(jiǎn)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(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)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)陣顯示兩大類，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)廠家根據(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，針對(duì)不同的需要，只需要簡(jiǎn)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(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(jiàn)問(wèn)題，在這個(gè)設(shè)計(jì)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(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(lái)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(guó)標(biāo)點(diǎn)陣漢字庫(kù)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，我們把顯示模塊作成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。控制模塊儲(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。控制模塊上還帶有小鍵盤(pán)和通用異步串行口，既可以用鍵盤(pán)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(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常用信息分別顯示，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(jiǎn)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)擦除重寫(xiě)，掉電數(shù)據(jù)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(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(pán)外接4個(gè)限流電阻直接接到CPU的口線上，對(duì)鍵盤(pán)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(jué)得合適的亮度到了晚上可能會(huì)很刺眼，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(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。考慮到刷新速度的因素，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(kāi)的時(shí)候，8路共陽(yáng)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，只用內(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(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(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(kāi)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)往移位寄存器，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(méi)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)附加兩個(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(lái)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(jiǎn)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(guò)調(diào)節(jié)發(fā)光單元點(diǎn)亮?xí)r間實(shí)現(xiàn)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)間以內(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。
控制模塊的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(jiǎn)單但實(shí)現(xiàn)起來(lái)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)往各顯示模塊。
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(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(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度，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，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(gè)設(shè)計(jì)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。
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