大屏幕LED智能顯示技術的研究與實現

張建國

（漳州職業技術學院　電子工程系，福建　漳州　363000）

大屏幕LED智能顯示技術的研究與實現

張建國

（漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州363000）

本文從LED顯示屏的基本性能要求出發，設計了大屏幕智能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電路的設計方案；通信接口采用標準RS－232C接口設計，與PC進行通訊.實現了由MCS－51單片機進行控制，屏幕自成獨立顯示系統；一臺PC計算機可控制127個條屏；實現計算機組網等功能.

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、光電子技術、計算機技術和信息處理技術等，將光、電、聲融合為一體，是高新技術的產物.現在，大屏幕LED智能顯示技術越來越多地應用于新聞發布、商業廣告、交通運輸、文化娛樂、體育比賽、航空航天及軍事演習等領域，已成為社會信息化的重要設備.

目前，智能LED顯示屏尺寸向著精細化、規模化發展.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模發展.其顯示顏色多樣化，有灰度、單色、三色、全彩色屏幕等.使用環境和場所也廣泛化，有室內外、移動和固定、拼裝與積木及整體等不同型號.具有專業化、特型化的顯示特點，有多種不同種類的屏幕，可以滿足不同環境、不同用戶的需求.

2　LED顯示屏的設計要求

用LED像素單元或點陣LED模塊組成的平面式顯示屏幕.具有發光率高、色彩豐富、耗電小、使用壽命長以及適應環境能力強等優點.其發展過程經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、光纖通信等技術的64級、256級灰度的雙基色視頻屏；全彩色顯示屏的廣泛應用，從而將國內的大屏幕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：＞800CD/M2（2）半戶內：＞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

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

2.2設計LED智能顯示屏時應達到的要求：

設計LED智能顯示屏時應達到：①適用性：在戶外環境使用的顯示屏，要對其視覺亮度應按全天候環境條件進行設計，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，要采用模塊式結構；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發光響應速度極快，幾乎沒有余輝產生，具有特殊的發光特性.所以顯示屏的發光強度取決于：LED二極管發光強度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、逐列等三種動態掃描方式.逐點掃描發光效率較低，只應用于小點陣小屏幕LED顯示.應用逐行掃描，逐列掃描時，可根據顯示規模按分區域進行，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，根據基本顯示方式的構成情況.可以設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智能顯示屏的設計

顯示屏設計實現的基本功能：可由雙單片機控制，屏幕可自成獨立顯示系統；支持計算機組網，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芯片的電路結構.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；行列驅動及顯示電路；開關電源等組成.

采用雙CPU控制結構可以大大減輕主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；顯示內容的存儲區存儲與漢卡的漢字庫內容的輸出；對顯示圖形數據進行分析處理，并控制屏幕的顯示方式；對顯示緩沖區進行數據實時更新；由系統監控電路（看門狗）監控單片機（CPU1）的運行狀態是否正常.

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，須轉換為RS-232C標準.通信接口電路設計采用MAX232芯片組成，由單+5V供電、內含EIA電平電壓發生器等.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位數據格式.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，進行應答并開始接受命令和數據.顯示屏地址碼范圍為01H～7FH，對應1-127號，因此PC機最多可管理127臺顯示屏.

數據/命令幀為8字節，以ASCLL碼方式傳輸，有效地址顯示屏應答以校驗數據正確性.每幀以$表示結束.

3.2顯示內容存儲與漢卡操作

3.2.1數據存儲

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

3.2.2漢卡電路

本系統采用集成電路芯片GB5199B組成漢字庫.漢字庫采用雙字節方式進行讀取.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看門狗程序運行監視電路

為屏幕顯示控制系統的可靠運行，防止系統失控，采用硬件及軟件組成系統監視器，即“看門狗”（watch-dog）電路.看門狗能夠監視單片機系統的運行狀態是否正常，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/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.若由某種原因導致CPU1失控，CD4060因不能及時被復位，就經過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.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RAM電路

圖6　共享式顯示緩沖區電路圖

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數據存儲器）電路芯片設計方案.實現對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.通過聯絡線Ll的協調，使CPU1和CPU2共享RAM區的使用.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，完成掃描顯示控制任務.CPU2在等到取得共享RAM芯片的總線具有控制權時，從中逐行取出顯示數據，并經單片機串行口以同步移位寄存器工作方式輸出，送至并-串轉換芯片（74LS164）轉換成并行數據，并經驅動電路芯片（MC1413）驅動輸出之LED點陣顯示屏列選通端.行掃描數據則從CPU2P1口輸出，經譯碼電路芯片（CD4514）譯碼后產生16路行選通輸出信號，再經過NPN達林頓功率管（BD682）驅動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、數據等，控制或修改顯示屏的顯示工作方式、校對時鐘顯示內容等，并以串行通信方式與顯示屏聯系.小鍵盤可代替PC機操作，電路結構主要由4×4鍵盤、7位LED數碼管、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計

4.1主機程序設計

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、優先級、定時器、串行口等內容，并消隱顯示屏；然后對顯示緩沖區RAM的顯示內容進行初始化，顯示標準時間內容并釋放總線控制權.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，依次完成屏幕清屏、出屏和顯示操作等控制任務.為實現單片機控制的顯示屏與PC機聯網，選擇的通信接口為標準RS-232 +485接口轉換方式.主機程序框圖如圖9所示.

圖9　主機程序框圖

4.2PC機控制內容的設計

本項目利用一臺PC微型計算機控制127個顯示屏并實現計算機組網.每屏實現自成獨立顯示控制系統并可通過小鍵盤來控制屏幕的顯示.PC機采用多級菜單結構和人機對話式對顯示屏幕進行管理和傳輸數據等控制管理和通信的作用.整個控制管理系統可以以一屏區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，設定播出時間、順序及方式；對各種信息源進行檢索和調用，并以數據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監控和當前進度實時監控，可臨時輸入所要顯示的內容和命令，進行現場編輯.

5　結束語

本項目根據LED顯示屏的性能要求，設計了大屏幕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；一臺PC計算機可控制127個條屏；實現計算機組網等功能.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，經實測各項性能達到要求，顯示效果較好.

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