模块化LED大屏幕显示屏精讲课讲稿

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1、模块化 LED 大屏幕显示器设计摘要：针对现有的LED大屏幕显示器需重复设计、成本高等问题，提出了一种模块化设计的 LED 大屏幕显示器，可以实现灵活配置、脱机运行、特效显示等，并简 要介绍了其硬件结构和软件功能。关键词： LED 大屏幕 模块 I2C 总线LED 大屏幕显示器由于其醒目、内容灵活多变等特点，已经越来越多地应用于广告、信息发布、交通指示等公共场所，取得了良好效果。LED显示屏主要分为数码显示和点阵显示两大数，本文只讨论点阵显示。目前的 LED 显示屏基本上都是先 由用户提出要求，生产厂这根据需要订做，每次都要重复设计电路和机械结构， 造成资源浪费，而且若用户的需求改变，改动将十

2、分困难。实际上不论显示屏的大小，其原理都是相同的，因此完全可以设计出一种标准 化、模块化的 LED 显示屏，会对不同的需要，只需要得意组合相应的模块即可。 本文介绍的就是一种模块化的 LED 显示屏，可以根据需要灵活改变大小，并可以 脱离计算机独立运行，还可以实现如闪烁、滚动显示等特效。对整体式显示屏刷 新率不足发生闪烁的常见问题，在这个设计中由于被分割成小模块，不再成为问 题。1 基本原理基本的设计思路是把整个显示屏分成若干相同大小、相同功能的显示模块，而另 外用一个中央控制模块控制，同步所有显示模块的运行，实现整体协调的显示。所以本系统主要由两部分组成：显示模块和控制模块 显示模块实际都是

3、相同大小的小 LED驱动板，能够驱动LED阵列，具有基本的显示功能，并可以接收来自控制模块的数据和命令，此外一些常用的显示效果如闪烁、滚动等也包括在显示模块中。现有国标点阵汉字库有16X16和24X 24两种，考虑到软件编写的方便和硬件的能力，我们把显 示模块作为16X 16点阵大小。控制模块负责控制各显示模块，向各显示模块发送数据和命令。控制模块储存要 显示的点阵数据信息，定时向各显示模块下传。控制模块上还带有小键盘和通用 异步串行口，即可以用键盘操作，也可以用计算机控制，还可以用计算机更新控 制模块内的数据。显示模块和控制模块之间用总线的方式连接，我们选用了I2C总线。整个系统的设计使用有

4、很大的自由度：控制模块控制的显示模块数量可以改变，显示模块的排列方式也可以改变（如 16个显示模块，既可以是 2X8也可以是4X 4），对同一块显示屏可以 保存若干条件用信息分别显示，每条信息的点阵大小可以不同，超过屏幕大小的信息可以滚动 显示出来。这样基本可以满足多种多样的需求。2电路结构控制模块的原理如图1所示。采用 PIC16C73 作为中央控制器。该单片机内置I2C 接口、串行口，而且具有比较强的口线驱 动能力（每根口线 25mA ），使用它可以简化很多外围电路。数据存储使用两片 EEPROM ：X24256 共提供 64K 字节的数据空间，可以反复擦除重定民，掉电数据不丢失。如果全部

5、用来显示16X16点阵的汉字，可以显示 2000个左右。数据存储器与各个显示模块共用 I2C 总线，依靠各自的地址区分究竟是存储器还是显示模块。小键盘外接 4 个限流电阻直接接到 CPU 的口线上，对键盘采用 4X4 扫描方式。控制模块与计算机的连接使用 RS232 串行口，用一片 MAX202 做电平转换。此外控制模块还带有一个光强度传感器，其作用是调节显示屏的亮度。由于白天和夜晚的环境 光强差异很大，白天觉得合适的亮芳到了晚上可能会很刺眠，因此根据外界的光强使用这个传 感器自动调节显示屏的度。这里使用的是 TI 公司的 TLS235 光频转换元件。每个显示模块要驱动一块 16X16的LED

6、阵列，由于单片机的口线数量少，使用静态显示是不可能的，这里使用了动态扫描显示。考虑到刷新速度的因素，使用16行扫描刷新可能会有闪烁，所以使用 8行扫描、 32位数据的方式。每条数据线每个时刻只对应一个发光单元，要求电流较小；而当显示屏全开的时候，8 路共阳极扫描线将会对应 32 个发光单元，电流要求大，所以两端的驱动电路是分别设计的。数据线 端使用 TI 公司的 4 片 TPIC6B595 。扫描端使用 Allegro 公司的两片 2944 。显示模块与控制模块用 I2C 总线相连。由于显示模块的任务只是显示，所以不另外增加存储 器，只有内部的 RAM 单元保存欲显示的点阵数据，并不停地扫描显

7、示到 LED 阵列上。诸如滚 动、闪烁等显示效果只是对显示数据做额外处理，如滚动显示实际对应数据的移位操作。这些 功能也编写在显示模块中，由控制模块发送命令激活这些功能。此外需说明的是，显示模块的驱动电路与 LED 阵列可以看作分离的两部分，只要在驱动电路 的驱动能力范围内，可以使用发光单元不同的 LED 阵列，如 1 个发光单元仅为 1 个 LED 的小 型显示牌或者1个发光单元包括 57个LED的大型显示牌等。3 软件设计 本系统的软件包括一个部分：显示模块、控制模块和 PC 机。简析PIC16C73单片机结构特点和工作原理来源：深圳龙人计算机 发布者：站长 时间： 2009-9-24 阅

8、读： 1637 次PIC系列单片机不是单纯的功能堆积，而是以多型号来满足不同层次的需要，并可提供低价的OTP 芯片。另外，该系列单片机还具有低功耗睡眠功能、掉电复位锁定、上电复位电路、看门狗电路等功 能，而且外围器件少、占用空间小；成本低，保密技术也十分可靠，可最大限度地保护开发者的利益。因 此，在工业控制、仪器仪表、计算机、家电等诸多领域具有极其广阔的发展前景。PIC16C73 微控制器所具有的优越性能主要归功于它的精简指令集（ RISC ）和所采用的哈佛 （Harvard ）结构，它具有分离的程序储器空间（ 12 位宽指令）和数据存储器空间（ 8 位宽数据）。同时 可运用两级流水线指令进行

9、取数和执行，除了跳转指令需要两个周期外，其余所有的指令都可在单周期内 执行。PIC16C73 分离的程序和数据空间可使指令字优化为任意宽度，从而使指令具有单字长的特性，且允 许指令码的数据位数多于 8 位，这样，就可达到 2：1 的代码压缩和 4 ：1 的速度。结构特点及工作原理PIC16C73 PIC16XX系列微控制器中的一种，它由高性能RISC结构的CPU、存储器、I/O接口和复位电路等组成。1 、外部结构特点PIC16C73 是 28 脚双列直插式大规模集成 芯片。各引脚功能如下：OSC1/CLKIN ：为晶体振荡器输入 /外部时钟源输入引脚。OSC2/CLKOUT ：晶体振荡器输出

10、/外部时钟源输出引脚。在晶体振荡器方式下，接晶体或陶瓷振荡 器；在 RC 振荡方式，输出 1/4fosc 。MCLR/Vpp ：芯片复位 /编程电压输入脚，复位时，低电平有效。RAO/ANORA5/AN4/SS :复用引脚，RAORA5为双向数据线； ANOAN4为A/D 输入输出通 道；RA5AN4/SS 还可作为同步串口使用。RBORB7 : B 口双向数据信号线，其引脚含有可控的弱上拉电阻。其中，RB4/INT 可作为外部中断输入端；RB4RB7可产生变化中断；RB6可作为串行编程的时钟端； RB7可作为串行编程的数据端。RCORC7 :复用引脚，为C 口双向数据信号线，C 口引脚均为多

11、功能复用引脚。RCO/T1OSO/T1CK1 可选择 TMR1 振荡器输出或 TMR1 时钟输入；RC1/T1OS1/CCP2 可作为 TMR1 振荡器输入或捕捉器 2 输入/比较器输出 /PWH2 输出；RC2/CCP1 可作为捕捉器 1 输入 /比较器输出 /PWH1 输出；RC3/SCK/SCL 可作为同步串行时钟输入 /SPI 的 I2C 方式输入；RC4/SDI/SDA 可作为 SPI 数据输入（ SPI ）或数据 I/O （I2C ）；RC6/SDO可作为 SPI 数据输出（ SPI ）;RC6/TX/CK可以作为异步发送或SCI 同步时钟线;RC7/RX/DT可以作为异步接收或S

12、CI 同步数据线。2 、内部结构特点a. 高性能 CPU仅 35 条单字指令，采用的时钟频率为 20MHz ，指令周期为 200ns ；具有 8 级深度的硬件堆栈；具有中断能力，有 11 个中断源；带有片内 RC 振荡器的看门狗（ WDT ）；具有程序保密位，可防止非法拷贝；具有低功耗 SLEEP 方式，功率低，采用高速 CMOS EPROM 工艺制造；可选择不同的振荡器方式；工作电压为3.0V6.0V。b. 分离的程序和数据空间该PIC器件带有13位程序存储器，最大寻址能力为8kX 14位，用户存储空间（0000OFFFh ）共4k X14位。当访问大于以上地址范围的物理存储空间时，可采用滚

13、动循环访问方式。数据存储区分为每个存储体 Bank0 和 Bank1 ，每个存储体又由通用寄存器和专用寄存器构成。当状 态寄存器中的 RP0 位为 0 时，选中 Bank0 ；RP0 为 1 时选中 Bank1 。每个存储体最大可以扩展到 7Eh （ 128 个字节）。在每个存储体中，专用寄存器被安排在低空间，用 SRAM 实现的通用寄存器被安排在高 地址空间。专用寄存器中含有 A/D 的寄存器。c.片内器件模块有 3 个定时 / 计数器和 3 个双向 I/O 口。含有16位捕捉/比较/PWM模块。其中捕捉器的最大分辨率为12.5ns ;而比较器的最大分辨率为200ns ；PWM 的分辨率为

14、10 位。带有 5 路 A/D 转换器和 A/D 中断功能。c. 完善的串行通信接口（ SCI ）SCI利用RC6和RC7两个引脚来作为通信线的二线制串行通信接口。它们可被定义为三种方式：全 双工异步方式、半双工同步主控方式和半双工同步从动方式。SIC部件含有两个8位的可读写状态和控制寄存器，分别为发送和控制寄存器TXSTA、接收和控制寄存器RCSTA。显示模块的软件主要包括扫描显示、特效处理和I2C通信三部分。三显示模块CPU的RAM中开辟出32字节作为显示缓冲区，扫描显示程序只是定时从显示缓冲区中取数据发往移动寄 存器，并设置相对应的扫描线，实现一次扫描。扫描显示并不识别缓冲区里的数据是什

15、么。扫 描是利用了人眼的图象滞留效果，如果扫描频率达到60Hz以上，对扫描频率的波动就不大敏感了，所以这里的扫描显示程序没有使用定时器中断，仅由循环完成。特效处理是指对扫描缓冲区的数据做移位的操作，主要对应滚动显示效果。滚动时每次滚动 2 示權块岖語璋愿一个像素行或列，大部分数据已经存在于显示模块中，控制模块发送滚动命令时联合国加两个字节（1行或1列）的新数据。由于使用的扫描方式是32X8的方式，因此数据存放并非完全线性，而有跳跃存储的部分，加之字符滚动 显示有上下左右四个方向，要把新来的数据移入缓冲区并移出两字节的旧数据，因而需要比较 繁复的RAM地址计算。I2C通信是PIC16C73内部硬

16、件实现的功能，比较简单，只用中断就可实现。显示亮度的调节功能是通过调节发光单元点亮时间实现的。具体来讲，由于是扫描显示，每个发光单元最多只有 1/8的时间可以点亮，如果这 1/8的时间全部点亮，其效果就是最大亮度,如果在这1/8的时间内仍有部分时间不亮，则总体的显示亮度就下降。显示模块从控制模块接 收环境亮度数据，调节这个点亮时间的比例，以实现调节亮度的功能。 控制模块程序包括与显示模块的 I2C 通信，与 EEPROM 的 I2C 通信，与计算机的串行通信， 数据的地址计算，外界光强度检测几个部分。两个 I2C 通信部分和串行通信由硬件支持，比较容易。外界光强度传感器直接把光强转化成频 率送

17、入 CPU ，所以只要定时计数即可。比较复杂的部分是数据的地址计算。由于本系统的自 由度、数据使用索引的办法在 EEPROM 中存储，地址计算逻辑上简单但实现起来比较繁复， 要对每个显示模块发送不同的内容。对于滚动显示的情况则更加复杂。如果是静态显示，则控制模块仅接收到命令后传送一次数据就进入空闲等待：如果是闪烁、滚 动等显示，则需要定时从 EEPROM 中取数据发生各显示模块。PC 机部分的程序主要是点阵编辑功能和 RS232 通信功能。点阵编辑不仅可以写各种字体的字 符，还可以绘制简单图形； RS232 通信不仅包括所有可以用键盘实现的功能外，还可以直接 在显示屏上显示图形而不用先保存到控

18、制模块中，实现即时的信息发布。本系统对常用的 LED 大屏幕显示装置作了规范化、模块化的有益尝试，并已应用在交通状况 显示场合，取得了良好效果，证明该设计是合理可行的。由于设计时为使用保留了很大自由 芳，使得它可以灵活组合运用于各种不同需求的场合，而不必重复设计，有效节约了资源。由 于最初本系统对应一个比较小的显示屏，怕以选用了 I2C 总线，如果要做相当大的显示零还可 以换成 RS485 等总线，提供更大的扩展余地。此外基于这个设计思路，还可以进一步开发彩 色 LED 大屏幕显示屏等产品。I2C 是用两根线来通讯，一根是 CLOCK 线，一根是 DATA 线，通过两根线的状态来决定方 向，读

19、写，地址数据等（人家大公司果然牛啊），而且可以点对多点通讯，是半双工的，不过 通讯速率可以很高，和 232 不是一个数量级的。232 是需要至少 3 根线来通讯的，地线，发送线，接收线，只能点对点通讯，不过是全双工 的，但通讯速率不高，二者机制原理都不一样，是不能共融的，而且， 232 一般都需要硬件支持（特殊情况下也能模 拟），而 I2C 只要有两个通用的 IO 脚就可以模拟了，十分方便。QQQQ QOQ Q OOOOOOOO OOOOOOOO OOOOOOOO OOOOQOQO.2 LED降列的的创电略ooo0OO0OO00O0OO0OO 000 0OO HHxsUR xMtriUJ8X8洞 共需耍64个发光 桜许爼成.H毎个发光 二极善足放量农tj线和列线的交义点1 当对 的幕列賈1电平，某 OL I讪相应的:因此翌实现 根柱*的磁 如恂49 所示.对応的 列为-根帑村.或*对山的Hi 为根脚lW此丈的亮的方*如下驱3： 一根黑柱&对槪的列置仃而行则諏扫搆的方 法来实ALI f根橫柱*对应的厅置6而列则乘用扫描的力 法来实/!