引言
LED顯示屏具有成本低,、壽命長、功耗小,、工作溫度范圍寬等優(yōu)點,，廣泛應(yīng)用于文字及圖像信息的顯示。整個系統(tǒng)一般分為3個部分：上位機,，顯示屏控制電路和LED陣列及其驅(qū)動,。
其中顯示屏控制電路的設(shè)計廣泛采用兩類器件作為其控制核心來實現(xiàn)，一類是單片機控制系統(tǒng)，另一類是可編程邏輯器件,。該設(shè)計采用基于單片機的控制方案,，如圖1所示，一臺PC機通過RS485總線與多塊控制器相連,，每塊控制器擴展了溫度傳感器,、實時時鐘和其他外圍器件，控制LED屏的顯示,。
采用單片機的控制方案,，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用靈活,，并且易于擴展,。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，上位PC機用專門的軟件編輯將要顯示的信息,，通過串口發(fā)給單片機,，存儲在Flash內(nèi)，單片機再驅(qū)動電路將字符的編碼通過LED點陣的形式顯示出來,。
LED點陣為雙基色屏,，能顯示紅，綠,，黃3種顏色,。控制器的核心選用STC89LE516單片機,，擴展32KSRAM作為顯示緩存區(qū),，512KFlash用于存儲顯示的點陣信息和一些必要的參數(shù)。
撥碼開關(guān)選擇本屏的物理地址,?？刂破鬟€擴展了1片溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，1片時鐘芯片進行實時時間的讀寫,。
1.1 存儲器擴展電路
STC89LE516是一款強抗干擾,，高速，低功耗的單片機,，增強型51內(nèi)核,，集成了看門狗電路，內(nèi)含64K字節(jié)Flash存儲器,，512字節(jié)RAM,可在線編程,，可遠程升級，價格便宜,。
為了提高響應(yīng)速度,，系統(tǒng)擴展了32KSRAMIS61LV256作為顯示緩存區(qū),，用于保存當前正在顯示的一幀數(shù)據(jù)和一些特技處理數(shù)據(jù)，和單片機的接口如圖3所示,，SRAM的最高位地址線A14由單片機的P3.2單獨控制,，以便于將紅色和綠色LED點陣的數(shù)據(jù)分塊存放，當P3.2輸出為0時,，選中RAM地址0x0000～0x3fff,為紅色LED的數(shù)據(jù)區(qū),；當P3.2輸出為1時，選中RAM地址0x4000～0x7fff,為綠色LED的數(shù)據(jù)區(qū),。
Flash用于存儲代碼,，顯示的數(shù)據(jù)信息和字庫?？刹捎貌楸淼姆绞秸{(diào)用需要顯示的漢字和英文點陣數(shù)據(jù),。用64K字節(jié)的存儲空間存儲16×16點陣的漢字，可以顯示2048個,，512K的Flash可滿足常用字不同字體的存儲需求,。SST39VF040的地址線有19位，單片機用P1口來擴充高三位地址線,。
系統(tǒng)中單片機,，SRAM,Flash要求313V供電，而系統(tǒng)接入電源為5V,可通過LM1117-3.3為芯片提供3.3V穩(wěn)壓電源,。
低壓差電源芯片LM1117輸出電流可達800mA,輸出電壓精度在±1%以內(nèi),，還具有電流限制和熱保護功能。
1.2 串行接口電路
控制器接收數(shù)據(jù)采用單片機內(nèi)部全雙工的通用異步收發(fā)器（UART）,。在傳輸距離小于20m時采用非平衡的RS-232,在傳輸距離為幾十m到上km時采用RS-485,。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力,，可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng),。由于顯示屏的位置是分散的，彼此相距幾十甚至幾百m,所以控制器用MAX232和SN75176分別做電平轉(zhuǎn)換,，用跳線進行RS-232和RS-485之間的切換選擇,，從而實現(xiàn)和PC的通信，完成數(shù)據(jù)的存儲和更新,。
1.3 實時時鐘電路
單片機與HT1381低功耗實時時鐘芯片接口采用串行傳輸方式,，如圖4所示只需3根線就可以讀寫年,、月,、日、星期,、時,、分,、秒，在需要時顯示到LED屏幕上,。HT1381所需時鐘獨立于單片機,，外接321768kHz晶振就可以工作。配備3V充電電池,，系統(tǒng)采用外部供電時,，二極管導(dǎo)通，外部電源一方面向芯片供電,，另一方面對充電電池進行充電,。當系統(tǒng)電源停止供電時，二極管截至,，芯片由電池來供電,。
1.4 溫度傳感器電路
溫度傳感器選用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,該器件將溫度傳感器、溫度報警觸發(fā)器,、ROM等集成在一個很小的芯片上,，傳感器直接輸出的就是溫度信號的數(shù)字值。DS18B20以9位數(shù)字的方式反映溫度值,，讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)僅需要一根信號線,。
1.5 掃描控制電路和LED陣列
目前大多數(shù)LED顯示屏的屏幕設(shè)計采用的是模塊化的結(jié)構(gòu)，其基本單元是LED顯示單元模塊,，屏幕大小和形狀可靈活改變,，顯示屏的安裝和維護也十分方便。LED顯示單元模塊分為LED點陣和驅(qū)動電路2部分,。
該LED點陣選用紅綠雙基色屏,，可顯示紅、綠,、黃3種顏色,，價格適中。每個模塊是16×64像素,，由16塊8×8像素共陽極LED點陣組成,。16行LED共用一列數(shù)據(jù)，每行LED的顯示時間占一個掃描周期的1/16,。根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng),，只要整屏的刷新頻率大于60Hz,即可形成一幅穩(wěn)定的畫面。每個LED顯示單元有8個紅色數(shù)據(jù)輸入端,、8個綠色數(shù)據(jù)輸入端和8個行控制信號輸入端,。
驅(qū)動電路分為行驅(qū)動和列驅(qū)動。
行驅(qū)動電路由2片3-8譯碼器74HC138組成,。一個行選信號同時控制著一行中所有LED的通斷,，所以它需要較大的驅(qū)動電流,，為此選用4953。4953內(nèi)含2個P溝道的MOSFET管,，漏極電流最大可達419A,保證了行驅(qū)動能力,，16×64點陣需要8片4953。2片138的16路輸出分別通過4953的驅(qū)動用于選通相應(yīng)的行,，實現(xiàn)對行的控制,。
列驅(qū)動采用74HC595,內(nèi)含移位寄存器和三態(tài)輸出鎖存器，可以把串行輸入的8bit數(shù)據(jù)并行輸出,。分別用8個74HC595鎖存紅色,、綠色數(shù)據(jù)。單片機2路控制信號與所有595的時鐘輸入SRCLK,鎖存信號RCLK相連,。第1片595的串行輸出接到第2片595的串行輸入端,，同理，其他引腳的連接方式一樣,，通過這種級聯(lián)的方式,，把8個595芯片連在一起，同時每個595芯片的并行輸出連接8個LED的列,。
顯示過程為：
?。?）把顯示緩存區(qū)中的第1行紅色數(shù)據(jù)和綠色數(shù)據(jù)分別送入595鎖存；
?。?）送行掃描信號,，選通LED陣列的第一行并延時；
?。?）行消隱,，行掃描信號下移一行并重復(fù)上述過程直至完成第16行的顯示。如此循環(huán),。
每個LED顯示單元模塊有2個接口,，可根據(jù)顯示長度的不同需求靈活擴展LED單元，控制器保持不變,。如需高度上擴展,，可通過擴展CPLD/FPGA控制行掃描信號的同步來實現(xiàn)，在顯示和控制原理上并無差別,。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件包括上位機軟件和下位機軟件,。上位機軟件用VC編寫，與下位機通過異步串口進行通信,。上位機軟件的任務(wù)是校準時鐘,，編輯顯示的內(nèi)容、顏色和顯示效果等并把數(shù)據(jù)廣播發(fā)送到LED顯示控制器,。通信的數(shù)據(jù)格式如表1所示,。
下位機開機進行中斷,、串口初始化后,，按照指令執(zhí)行顯示子程序,，定時進行溫度采樣和時鐘數(shù)據(jù)的讀取。下位機始終處于監(jiān)聽狀態(tài),，當有串口中斷時,，和上位機通信，上位機發(fā)1字節(jié)地址符,，下位機接收后與本屏地址進行比較,，本屏地址由控制器的撥碼開關(guān)設(shè)定。如果地址相同則接收數(shù)據(jù),，否則中斷返回,，由此實現(xiàn)LED屏的分布式控制。接收完全部數(shù)據(jù)后,，進行校驗,，如出錯則要求重發(fā)，校驗正確則發(fā)送接受成功標志給上位機,，結(jié)束中斷,。串口中斷程序和定時器中斷程序流程見圖5。
控制器接收到數(shù)據(jù)后存于Flash中,，根據(jù)數(shù)據(jù)中的命令字,，執(zhí)行相應(yīng)的操作，操作判斷流程如圖6所示,。
顯示子程序根據(jù)漢字內(nèi)碼從字庫中查找出字模,，送至顯示緩存區(qū)，通過數(shù)據(jù)處理后輸出至列選通信號,，配合行掃描信號,，進行動態(tài)掃描顯示。其中數(shù)據(jù)處理功能主要完成字幕左移,、右移,、百葉窗、變色,、閃爍等,。
3 結(jié)語
本文選用了STC89LE516單片機，在保證功能和穩(wěn)定的前提下,，降低了成本,，擴展了大容量Flash數(shù)據(jù)存儲器，上位機只需傳送漢字內(nèi)碼即可顯示,，減少了數(shù)據(jù)傳送量,，提高了響應(yīng)速度,。LED顯示單元可靈活擴展，滿足不同需求,。經(jīng)實驗驗證,，該系統(tǒng)顯示穩(wěn)定可靠，支持溫度,、日歷,、漢字和各種特效等，可運用于工業(yè)生產(chǎn)線,、樓宇安防,、停車場等的分布式LED顯示。