大屏幕LED顯示屏的高速控制方案(精)word版本

1、LED 顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描。顯示控制的過(guò)程是先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得字模數(shù)據(jù) ,再通過(guò)單片機(jī)的串行口或并行口將數(shù)據(jù)寫(xiě)給LED 點(diǎn)陣片 ,然后再行掃描。動(dòng)態(tài)掃描方案和靜態(tài)顯示方案相比節(jié)省驅(qū)動(dòng)元件,但要求刷新頻率高于50 Hz,以避免顯示的圖像或文字出現(xiàn)閃爍。由于刷新頻率的限制,一片單片機(jī)能控制顯示元件的片數(shù)是較少的?，F(xiàn)在大屏幕 LED 顯示屏的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。為了對(duì)成百、上千片的LED 點(diǎn)陣片實(shí)現(xiàn)有序的、快速的顯示控制,人們動(dòng)了許多腦筋 ,雙 CPU、雙 RAM 的方案 ,FPGA 的方案等都獲得了成功的應(yīng)用 ;但是這些方案的顯示控制過(guò)程還是先讀后寫(xiě)。本方案另開(kāi)思路 :用一條讀指令 ,將

2、讀和寫(xiě)合在一步完成 ,可大大地提高顯示控制的效率 ,且電路簡(jiǎn)單。1 LED 顯示屏的工作原理LED 顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描。動(dòng)態(tài)掃描又分為行掃描和列掃描兩種方式 ,常用的方式是行掃描。行掃描方式又分為 8 行掃描和 16 行掃描兩種。在行掃描工作方式下 ,每一片 LED 點(diǎn)陣片都有一組列驅(qū)動(dòng)電路 ,列驅(qū)動(dòng)電路中一定有一片鎖存器或移位寄存器 ,用來(lái)鎖存待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù)。在行掃描工作方式下 ,同一排 LED 點(diǎn)陣片的同名行控制引腳是并接在一條線(xiàn)上的 ,共 8 條線(xiàn) ,最后連接在一個(gè)行驅(qū)動(dòng)電路上 ;行驅(qū)動(dòng)電路中也一定有一片鎖存器或移位寄存器 ,用來(lái)鎖存行掃描信號(hào)。LED 顯示屏的列驅(qū)動(dòng)電

3、路和行驅(qū)動(dòng)電路一般都采用單片機(jī)進(jìn)行控制,常用的單片機(jī)是 MCS51 系列。 LED 顯示屏顯示的內(nèi)容一般按字模的形式存放在單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中 ,字模是 8 位二進(jìn)制數(shù)。單片機(jī)對(duì) LED 顯示屏的控制過(guò)程是先讀后寫(xiě)。按 LED 點(diǎn)陣片在屏幕上的排列順序 ,單片機(jī)先對(duì)第 1 排的第 1 片 LED 點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)鎖存器 ,寫(xiě)入從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得的字模數(shù)據(jù) ,接著對(duì)第 2 片、第 3 片 直到這一排的最后一片都寫(xiě)完字模數(shù)據(jù)后 ,單片機(jī)再對(duì)這一排的行驅(qū)動(dòng)鎖存器寫(xiě)行掃描信號(hào) ,于是第 1 排第 1 行與字模數(shù)據(jù)相關(guān)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。接著第 2 排第 1 行、第 3 排第 1 行 直到最后一排第

4、1 行的點(diǎn)亮。各排第 1 行都點(diǎn)亮后 ,延時(shí)一段時(shí)間 ,然后黑屏 ,這樣就算完成了單片機(jī)對(duì) LED 顯示屏的一行掃描控制。單片機(jī)對(duì) LED 顯示屏第 2 行的掃描控制、第 3 行的掃描控制 直到第 8 行的掃描控制 ,其過(guò)程與第 1 行的掃描控制過(guò)程相同。對(duì)全部 8 行的控制過(guò)程都完成后 ,LED 顯示屏也就完成了 1 幀圖像的完整顯示。雖然按這種工作方式 ,LED 顯示屏是一行一行點(diǎn)亮的 ,每次都只有一行亮 ,但只要保證每行每秒鐘能點(diǎn)亮 50 次以上 ,即刷新頻率高于 50 Hz,那么由于人的視覺(jué)惰性 ,所看到的 LED 顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像。2 LED 顯示屏的傳統(tǒng)控制方法參

5、考文獻(xiàn) 1 對(duì) LED 顯示屏的控制電路作了歸納和比較。其中 ,顯示控制電路是按行掃描方式工作的 ,列控制電路分為兩大類(lèi)。列控制電路中 ,一類(lèi)是用 74LS595 之類(lèi)的芯片作為列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器 ,CPU 通過(guò)串行總線(xiàn)給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)。無(wú)論是并行總線(xiàn)的控制方式還是串行總線(xiàn)的控制方式 ,其工作過(guò)程都是先給數(shù)據(jù)指針 DPTR 賦值 ,接著累加器 A 按數(shù)據(jù)指針 DPTR 的指向 ,從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 中讀得字模數(shù)據(jù)。然后 ,并行總線(xiàn)時(shí) ,再給數(shù)據(jù)指針 DPTR 賦值 ,接著 CPU 將累加器 A 中的字模數(shù)據(jù) ,按數(shù)據(jù)指針 DPTR 的指向 ,寫(xiě)給 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的

6、鎖存器 ;串行總線(xiàn)時(shí) ,CPU 將累加器 A 中的字模數(shù)據(jù) ,通過(guò)串行口寫(xiě)給 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器。一般顯示控制中 ,使用較多的單片機(jī)是 MCS51 系列。假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)的晶振頻率是 12 MHz, 機(jī)器周期是 1 上s,述兩種控制方式完成 1 片 LED 點(diǎn)陣片的顯示控制都得十幾 s。本文提出的高速控制方案 ,完成 1 片 LED 點(diǎn)陣片的顯示控制大約只要 4 s。按此推算 , 1 片 MCS51 系列的單片機(jī) ,差不多可以對(duì) 600 多片 LED 點(diǎn)陣片進(jìn)行顯示控制。與傳統(tǒng)的控制方法相比 ,顯示控制的效率成倍提高。3 LED 顯示屏的高速控制方案圖 1 是高速控制方案 LED

7、顯示屏電路原理。采用 MCS51 系列單片機(jī)對(duì) LED 顯示屏進(jìn)行控制 ;隨機(jī)存儲(chǔ)器 62512 用作 LED 顯示屏的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ,存儲(chǔ)待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù) ;采用 8 行掃描方式 ,多片 LED 點(diǎn)陣片共用 1 組行驅(qū)動(dòng)電路 ;每片 LED 點(diǎn)陣片都有一組列驅(qū)動(dòng)電路 ,用 74LS377 作為列驅(qū)動(dòng)的鎖存器 ,CPU 通過(guò)并行總線(xiàn)給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù) ;地址譯碼電路 ,用于產(chǎn)生 LED 點(diǎn)陣片行驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址。圖 1 高速控制方案 LED 顯示屏電原理本方案的特點(diǎn)有兩個(gè) :第一 ,雖然 CPU 還是通過(guò)并行總線(xiàn)給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù) ,但是鎖存器的鎖存信號(hào)

8、改用了 CPU 的控制信號(hào) RD,而不是常規(guī)用法的 WR; 第二 ,地址譯碼電路保證了 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的 ,而不是常規(guī)用法 ,這兩組地址必須分開(kāi)。由于上述電路的一些簡(jiǎn)單更改 ,單片機(jī)對(duì) LED 顯示屏的顯示控制效率將發(fā)生明顯的變化。具體工作過(guò)程如下 :假定數(shù)據(jù)指針 DPTR 中已經(jīng)裝入了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址 ,執(zhí)行指令 “MOVXA,DPTR” 。這條指令的功能是 CPU 按 DPTR 的指向從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀字模數(shù)據(jù) ,讀到累加器 A 中;但是在本電路中 ,由于 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的 ,

9、也就是說(shuō) ,在執(zhí)行指令 “MOVXA,DPTR” 時(shí),DPTR 除了指向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某個(gè)地址外 ,還選中了某一個(gè) LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器。如果此時(shí)被選中的這個(gè)鎖存器的鎖存引腳正好有打入脈沖來(lái)到 ,那么鎖存器也就將從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器送出的字模數(shù)據(jù)鎖住了。這個(gè)打入脈沖用的就是RD。RD 是 CPU 在執(zhí)行指令 “MOVXA,DPTR” 時(shí)向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器發(fā)出的讀控制信號(hào)。由于 MCS51 系列單片機(jī)的讀控制信號(hào) RD 和寫(xiě)控制信號(hào) WR 的時(shí)序完全相同 2,RD 代替 WR 實(shí)現(xiàn)鎖存功能 ,當(dāng)然也就沒(méi)有什么懸念了。這條指令在執(zhí)行時(shí) ,在完成對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀的同時(shí) ,又完成了對(duì) LED 點(diǎn)

10、陣片的寫(xiě) ,因此加快了顯示控制的過(guò)程。前面講過(guò) ,并行總線(xiàn)時(shí) CPU 完成 1 次向 LED 點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序過(guò)程 ,大約需要十幾 s;而現(xiàn)在只要 4 快s,多了 ,因?yàn)楝F(xiàn)在完成 1 次向LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序過(guò)程只要兩步,首先給數(shù)據(jù)指針 DPTR 賦有效地址 ,接著 CPU 按 DPTR 的指向從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀字模數(shù)據(jù) ,與此同時(shí)也將字模數(shù)據(jù)傳給了 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器。 2 條指令 ,4 個(gè)機(jī)器周期 ,4 s。這里要補(bǔ)充說(shuō)明一點(diǎn) ,在編制全部 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序時(shí) ,不要用循環(huán)指令 ,因?yàn)槟菢?/p>

11、每次過(guò)程又得增加 2 要s;采用對(duì) LED 點(diǎn)陣片逐片編程的方法 ,這樣編出來(lái)的程序雖然占空間 ,但節(jié)省了時(shí)間。用空間換時(shí)間的設(shè)計(jì)方法 ,有時(shí)也是設(shè)計(jì)人員值得嘗試的一種方法。本電路的行驅(qū)動(dòng)鎖存器的鎖存控制,還是用 CPU 的寫(xiě)控制信號(hào) WR,不作更改。行驅(qū)動(dòng)鎖存器的片選信號(hào)也來(lái)自地址譯碼電路。為了避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 LED 點(diǎn)陣片之間的相互干擾 ,與這組地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的這部分存儲(chǔ)空間就不用它了。地址譯碼電路的設(shè)計(jì) ,應(yīng)保證 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的。具體設(shè)計(jì)舉例如下 :假定某一塊 LED 顯示屏用了 240 片 LED 點(diǎn)陣片 ,可顯示 16

12、16 的漢字 60 個(gè),用 1 片 MCS51 系列單片機(jī)進(jìn)行高速控制。這 240 片 LED 點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址就應(yīng)有 240 個(gè),地址譯碼電路必須保證譯碼后的有效地址大于這個(gè)數(shù)量。圖1 中的地址譯碼電路 ,輸入的地址信號(hào)是A0A7 和 A11A15, 沒(méi)有接入 A8、A9 、A10 。用 74LS138 譯碼器 ,三級(jí)譯碼后可得到 256 根有效地址線(xiàn) ,第 1 根有效地址線(xiàn)對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 8 個(gè)地址 :0000H、0100H、 0200H、 0300H、 0400H、0500H、0600H、0700H。第 2 根有效地址線(xiàn)對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8 個(gè)地址 :0001H、010

13、1H、0201H、0301H、0401H、0501H、 0601H、 0701H。 第 256 根有效地址線(xiàn)對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 8 個(gè)地址 :00FFH、 01FFH、 02FFH、 03FFH、 04FFH、05FFH、06FFH、07FFH。這 256 根有效地址線(xiàn) ,240 根給列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址 ,余下的給行驅(qū)動(dòng)電路的片選地址 ;如果不夠用 ,行驅(qū)動(dòng)電路可考慮改為串行總線(xiàn)的方式進(jìn)行控制。上述分析結(jié)果表明 , 1 片 LED 點(diǎn)陣片的 I/O 接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 8個(gè)字節(jié)的地址建立了重疊關(guān)系。這是因?yàn)槊科?LED 點(diǎn)陣片都有 8 行 ,每行都對(duì)應(yīng)個(gè)字節(jié)的字模數(shù)據(jù)。1上述分析結(jié)果還

14、表明 ,全部 LED 點(diǎn)陣片的 I/O 接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0000H07FFH 地址段建立了映射關(guān)系。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器0000H07FFH 中存放的正好是一幀圖像的全部字模數(shù)據(jù)。4 高速控制方案在LED 顯示屏中的應(yīng)用現(xiàn)在商業(yè)上用的大屏幕 LED 顯示屏 ,用到的 LED 點(diǎn)陣片成百、上千甚至幾千片。單片機(jī)對(duì) LED 顯示屏的控制 ,包括單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信、字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理以及顯示控制三個(gè)部分。 1 片單片機(jī)要與 PC 機(jī)通信 ,又要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ,還要進(jìn)行顯示控制 ,肯定是忙不過(guò)來(lái)的。為了解決大屏幕 LED 顯示屏的控制問(wèn)題 ,許多文獻(xiàn)都對(duì)控制方案作了成功的設(shè)計(jì)。不少方案 36 的基本

15、思路是數(shù)據(jù)處理由一片單片機(jī)完成 ,顯示控制由另一片單片機(jī)或一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電路完成。這些方案的控制效率雖然很高 ,但是電路比較復(fù)雜。圖 2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分段選擇開(kāi)關(guān)電路本方案的基本思路是 ,單片機(jī)與 PC機(jī)的通信、數(shù)據(jù)處理及顯示控制都由 1 片單片機(jī)完成。顯示控制采用本文提出的高速控制方案 ,電路簡(jiǎn)單 ,而且顯示控制的效率很高。例如 , LED 點(diǎn)陣片采用常用的 6 cm6 cm 外廓尺寸的 LED 點(diǎn)陣片時(shí) ,屏幕面積小于 2 m2 時(shí) ,1 片 MCS51 系列單片機(jī)就可以完成。但是 ,高速控制方案用于大屏幕 LED 顯示屏 ,還有一些問(wèn)題要解決 :單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信問(wèn)題。大屏幕 LED

16、 顯示屏與 PC 機(jī)連接時(shí) ,PC 機(jī)用來(lái)編輯待顯示的內(nèi)容 ,并將內(nèi)容傳給大屏幕 LED 顯示屏中的單片機(jī)。 PC 機(jī)與單片機(jī)通信時(shí) ,不會(huì)干擾顯示屏的工作。因?yàn)轱@示屏工作時(shí) ,是一場(chǎng)一場(chǎng)顯示的 ,場(chǎng)與場(chǎng)之間有黑屏的時(shí)間 ,利用黑屏的時(shí)間進(jìn)行通信完全沒(méi)有問(wèn)題。增加顯示場(chǎng)次的問(wèn)題。大部分顯示屏的工作方式是,顯示的內(nèi)容一場(chǎng)、一場(chǎng)、又一場(chǎng) ,如此循環(huán)。前面的設(shè)計(jì)只考慮了顯示一幀圖像時(shí),LED 點(diǎn)陣片的 I/O 接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一段建立映射關(guān)系的問(wèn)題 ,因此只能顯示一場(chǎng)定格的圖像。在圖 1 的基礎(chǔ)上增加圖 2,可以使 LED 點(diǎn)陣片的 I/O 接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的多段建立映射關(guān)系。工作時(shí) ,由 P1 口控制多路開(kāi)關(guān) ,切換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的不同段和 LED 點(diǎn)陣片的 I/O 接口地址映射 ,于是顯示屏就可以一場(chǎng)一場(chǎng)地循環(huán)顯示了。如果擴(kuò)充外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片數(shù) ,并由 P1 口使能其中的一片有效 ,那么將可以擴(kuò)充更多的段和 LED 點(diǎn)陣片的 I/O 接口地址建立映射關(guān)系 ,這樣的話(huà) ,