張建國

（漳州職業(yè)技術(shù)學院　電子工程系，福建　漳州　363000）

大屏幕LED智能顯示技術(shù)的研究與實現(xiàn)

張建國

（漳州職業(yè)技術(shù)學院電子工程系，福建漳州363000）

本文從LED顯示屏的基本性能要求出發(fā)，設(shè)計了大屏幕智能LED顯示屏整體電路和軟件.該電路采用雙MCS－51單片機控制、雙CPU共享RAM電路的設(shè)計方案；通信接口采用標準RS－232C接口設(shè)計，與PC進行通訊.實現(xiàn)了由MCS－51單片機進行控制，屏幕自成獨立顯示系統(tǒng)；一臺PC計算機可控制127個條屏；實現(xiàn)計算機組網(wǎng)等功能.

LED顯示屏；大屏幕；智能

1　引言

大屏幕LED智能顯示屏是由微型計算機控制，能夠顯示文字和圖像的大型平面顯示終端.它集成了微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息處理技術(shù)等，將光、電、聲融合為一體，是高新技術(shù)的產(chǎn)物.現(xiàn)在，大屏幕LED智能顯示技術(shù)越來越多地應(yīng)用于新聞發(fā)布、商業(yè)廣告、交通運輸、文化娛樂、體育比賽、航空航天及軍事演習等領(lǐng)域，已成為社會信息化的重要設(shè)備.

目前，智能LED顯示屏尺寸向著精細化、規(guī)?；l(fā)展.從微型屏、小型條屏、大型屏、甚至面積達上千平米的巨型屏的規(guī)模發(fā)展.其顯示顏色多樣化，有灰度、單色、三色、全彩色屏幕等.使用環(huán)境和場所也廣泛化，有室內(nèi)外、移動和固定、拼裝與積木及整體等不同型號.具有專業(yè)化、特型化的顯示特點，有多種不同種類的屏幕，可以滿足不同環(huán)境、不同用戶的需求.

2　LED顯示屏的設(shè)計要求

用LED像素單元或點陣LED模塊組成的平面式顯示屏幕.具有發(fā)光率高、色彩豐富、耗電小、使用壽命長以及適應(yīng)環(huán)境能力強等優(yōu)點.其發(fā)展過程經(jīng)歷了用于顯示文字和簡單圖片的單色和16級雙色圖文屏；采用了圖像處理、視頻控制、光纖通信等技術(shù)的64級、256級灰度的雙基色視頻屏；全彩色顯示屏的廣泛應(yīng)用，從而將國內(nèi)的大屏幕LED顯示屏帶入全彩時代.

2.1LED顯示屏一般要求

2.1.1顯示分辨率要求

（1）文字顯示：視其文字尺寸及分辯率需求而定；（2）普通視頻顯示：320×240點陣；（3）數(shù)字標準DVD顯示：≥640×480點陣；（4）完整計算機視頻：≥800×600點陣；

2.1.2顯示屏的亮度要求

（1）戶內(nèi)：＞800CD/M2（2）半戶內(nèi)：＞2000CD/M2（3）戶外（坐南朝北）：＞4000CD/M2（坐北朝南）：＞8000CD/M2.

2.1.3最佳人眼視覺距離

要根據(jù)實際應(yīng)用中的場所的環(huán)境要求選擇合適的數(shù)據(jù)：最佳人眼視覺距離≈800×（1/點陣密度（1/2））

2.2設(shè)計LED智能顯示屏時應(yīng)達到的要求：

設(shè)計LED智能顯示屏時應(yīng)達到：①適用性：在戶外環(huán)境使用的顯示屏，要對其視覺亮度應(yīng)按全天候環(huán)境條件進行設(shè)計，還需有防雨、防潮、防灰塵、防蚊蟲等措施；②可靠性：對顯示屏必須考慮通風和散熱的問題；③節(jié)能性：顯示屏功耗要低，電源使用效率要高；④方便性：為便于顯示屏的安裝及維修，要采用模塊式結(jié)構(gòu)；⑤實用性：要求顯示屏顯示功能強、效果佳，其可靠性高、成本低，具有較高的性價比，有利于應(yīng)用和推廣等要求.

2.3屏幕的掃描與顯示方式的選擇

2.3.1屏幕的掃描方式

LED發(fā)光響應(yīng)速度極快，幾乎沒有余輝產(chǎn)生，具有特殊的發(fā)光特性.所以顯示屏的發(fā)光強度取決于：LED二極管發(fā)光強度P和屏幕掃描占空比D.為了不引起視覺疲勞，掃描頻率要足夠高.頻率在50Hz以上.為保證足夠的亮度，一般要求D＞1%.

屏幕掃描一般有逐點、逐行、逐列等三種動態(tài)掃描方式.逐點掃描發(fā)光效率較低，只應(yīng)用于小點陣小屏幕LED顯示.應(yīng)用逐行掃描，逐列掃描時，可根據(jù)顯示規(guī)模按分區(qū)域進行，可保障足夠的掃描頻率和占空比.

2.3.2屏幕顯示方式

以圖文屏為例，根據(jù)基本顯示方式的構(gòu)成情況.可以設(shè)定顯示方式與清屏方式，二者各16種，可任意排列組合，總共可有256種顯示方式.

3　大屏幕LED智能顯示屏的設(shè)計

顯示屏設(shè)計實現(xiàn)的基本功能：可由雙單片機控制，屏幕可自成獨立顯示系統(tǒng)；支持計算機組網(wǎng)，一臺PC機可控制127個條屏；每屏可顯示10行40個5×7點陣的字符或者15×16點陣的國標漢字.屏幕每次可顯示1280個漢字，也可顯示圖形等.并具有多種顯示方式和顯示效果，可以組合成12288種顯示方式.并有日歷時鐘顯示.

3.1智能LED顯示屏整機電路設(shè)計

整機電路框圖如圖1所示，電路采用雙MCS-51單片機、雙CPU共享RAM芯片的電路結(jié)構(gòu).整機電路主要包括：主控制電路（主單片機CPU1、漢卡等）；顯示控制電路（從單片機CPU2）；共享RAM芯片電路；行列驅(qū)動及顯示電路；開關(guān)電源等組成.

采用雙CPU控制結(jié)構(gòu)可以大大減輕主CPU的負擔；合理地分配RAM資源；提高顯示電路的掃描速率等.

圖1　整機電路框圖

3.1.1主控電路

主控制器簡稱主CPU，采用MCS-8031單片機（CPU1）控制，其完成主要功能是：與上位微機進行通信；顯示內(nèi)容的存儲區(qū)存儲與漢卡的漢字庫內(nèi)容的輸出；對顯示圖形數(shù)據(jù)進行分析處理，并控制屏幕的顯示方式；對顯示緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)實時更新；由系統(tǒng)監(jiān)控電路（看門狗）監(jiān)控單片機（CPU1）的運行狀態(tài)是否正常.

3.1.2與上位機通信接口

3.1.2.1通信接口電路

采用標準RS-232C接口設(shè)計，與PC進行通信.RS-232C標準采用負邏輯（EIA電平）.MCS-51單片機串口是TTL標準，采用正邏輯，須轉(zhuǎn)換為RS-232C標準.通信接口電路設(shè)計采用MAX232芯片組成，由單+5V供電、內(nèi)含EIA電平電壓發(fā)生器等.通信接口電路如圖2所示.

圖2　通訊接口電路圖

圖3　PC機與LED顯示屏通訊連接圖

3.1.2.2通信格式

PC機對顯示屏進行通信，通信格式采用8位數(shù)據(jù)格式.顯示屏的地址為7位地址碼.顯示屏接收到相符的地址幀后，進行應(yīng)答并開始接受命令和數(shù)據(jù).顯示屏地址碼范圍為01H～7FH，對應(yīng)1-127號，因此PC機最多可管理127臺顯示屏.

數(shù)據(jù)/命令幀為8字節(jié)，以ASCLL碼方式傳輸，有效地址顯示屏應(yīng)答以校驗數(shù)據(jù)正確性.每幀以$表示結(jié)束.

3.2顯示內(nèi)容存儲與漢卡操作

3.2.1數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)擴展一片隨機存儲器RAM62256（32K）作為數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理.圖形信息和漢字點陣信息，均存入存儲器.顯示屏接收到的區(qū)位碼顯示信息，通過漢卡查詢漢字庫并將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點陣信息輸出.

3.2.2漢卡電路

本系統(tǒng)采用集成電路芯片GB5199B組成漢字庫.漢字庫采用雙字節(jié)方式進行讀取.查詢漢字庫芯片需要有18根地址線，單片機接口地址線不夠，需擴展地址線，因此采用一片8155芯片（可編程并行接口）來擴充地址線.8155芯片有三個可編程IO口，可提供22條輸出接口.具體電路如圖4所示.

圖4　漢卡電路圖

3.3看門狗程序運行監(jiān)視電路

為屏幕顯示控制系統(tǒng)的可靠運行，防止系統(tǒng)失控，采用硬件及軟件組成系統(tǒng)監(jiān)視器，即“看門狗”（watch-dog）電路.看門狗能夠監(jiān)視單片機系統(tǒng)的運行狀態(tài)是否正常，是提高智能顯示屏運行可靠性和抗干擾能力的重要措施.硬件看門狗上電復位電路由CD4060（14位二進制串行計數(shù)/分頻/振蕩器）芯片組成..CPU1每隔時間t1，由P3.5輸出一正脈沖，經(jīng)R3與C2微分電路將CD4060復位一次.輸出端Q14始終為低.若由某種原因?qū)е翪PU1失控，CD4060因不能及時被復位，就經(jīng)過t2時刻（t2＞t1）從輸出端Q14端輸出一高電平，使CPU1單片機復位，CPU1被恢復到初始運行狀態(tài).具體電路如圖5所示.

圖5　硬件看門狗電路圖

3.4共享式顯示緩沖區(qū)RAM電路

圖6　共享式顯示緩沖區(qū)電路圖

本項目采用主控制器（主單片機CPU1）與顯示控制器（從單片機CPU2）共享一片RAM（6264數(shù)據(jù)存儲器）電路芯片設(shè)計方案.實現(xiàn)對RAM進行分時操作，采用總線隔離切換方式分配共享RAM的使用權(quán).通過聯(lián)絡(luò)線Ll的協(xié)調(diào)，使CPU1和CPU2共享RAM區(qū)的使用.其電路如圖6所示.

3.5.屏幕顯示控制電路

屏幕顯示控制電路單片機（CPU2）組成控制系統(tǒng)，完成掃描顯示控制任務(wù).CPU2在等到取得共享RAM芯片的總線具有控制權(quán)時，從中逐行取出顯示數(shù)據(jù)，并經(jīng)單片機串行口以同步移位寄存器工作方式輸出，送至并-串轉(zhuǎn)換芯片（74LS164）轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，并經(jīng)驅(qū)動電路芯片（MC1413）驅(qū)動輸出之LED點陣顯示屏列選通端.行掃描數(shù)據(jù)則從CPU2P1口輸出，經(jīng)譯碼電路芯片（CD4514）譯碼后產(chǎn)生16路行選通輸出信號，再經(jīng)過NPN達林頓功率管（BD682）驅(qū)動LED點陣顯示器的行選通端，控制LED顯示屏的逐行掃描.具體電路如圖7所示.

圖7　顯示控制電路圖

3.6小鍵盤控制電路

小鍵盤的主要功能：通過小鍵盤進行輸入和編輯控制命令、數(shù)據(jù)等，控制或修改顯示屏的顯示工作方式、校對時鐘顯示內(nèi)容等，并以串行通信方式與顯示屏聯(lián)系.小鍵盤可代替PC機操作，電路結(jié)構(gòu)主要由4×4鍵盤、7位LED數(shù)碼管、8031單片機（CPU3）、程序存儲器（2816EPROM）、通信接口電路、操作提示音電路（蜂鳴器）等電路組成.具體電路如圖8所示.

圖8　小鍵盤控制電路圖

4　主機程序及計算機控制程序的設(shè)計

4.1主機程序設(shè)計

主機上電后首先完成初始化操作工作，逐步初始化中斷方式、優(yōu)先級、定時器、串行口等內(nèi)容，并消隱顯示屏；然后對顯示緩沖區(qū)RAM的顯示內(nèi)容進行初始化，顯示標準時間內(nèi)容并釋放總線控制權(quán).若有顯示命令，則逐條取出分析處理，并確定顯示器各控制子程序的入口參數(shù)，依次完成屏幕清屏、出屏和顯示操作等控制任務(wù).為實現(xiàn)單片機控制的顯示屏與PC機聯(lián)網(wǎng)，選擇的通信接口為標準RS-232 +485接口轉(zhuǎn)換方式.主機程序框圖如圖9所示.

圖9　主機程序框圖

4.2PC機控制內(nèi)容的設(shè)計

本項目利用一臺PC微型計算機控制127個顯示屏并實現(xiàn)計算機組網(wǎng).每屏實現(xiàn)自成獨立顯示控制系統(tǒng)并可通過小鍵盤來控制屏幕的顯示.PC機采用多級菜單結(jié)構(gòu)和人機對話式對顯示屏幕進行管理和傳輸數(shù)據(jù)等控制管理和通信的作用.整個控制管理系統(tǒng)可以以一屏區(qū)域為單元對圖像信息的進行編輯、處理和存儲等；可按照用戶要求對版面和格式進行編輯處理，設(shè)定播出時間、順序及方式；對各種信息源進行檢索和調(diào)用，并以數(shù)據(jù)庫形式對所有顯示屏進行信息管理、存儲和檢索，具有顯示預覽功能；并對各顯示屏工作狀態(tài)監(jiān)控和當前進度實時監(jiān)控，可臨時輸入所要顯示的內(nèi)容和命令，進行現(xiàn)場編輯.

5　結(jié)束語

本項目根據(jù)LED顯示屏的性能要求，設(shè)計了大屏幕LED智能顯示屏整體電路和軟件.該電路由雙MCS-51單片機進行控制，其屏幕自成獨立顯示系統(tǒng)；一臺PC計算機可控制127個條屏；實現(xiàn)計算機組網(wǎng)等功能.屏幕每次可顯示任意組合編輯的1280個漢字，亦可顯示圖形.顯示方式和顯示效果有多種選擇，組合顯示方式多達12288種等功能，經(jīng)實測各項性能達到要求，顯示效果較好.

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1673-260X（2015）11-0060-03