引言
LED顯示屏整個系統(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，應用靈活，并且易于擴展。
1 系統(tǒng)的硬件設計
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)。
撥碼開關選擇本屏的物理地址。控制器還擴展了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。可采用查表的方式調(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，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：
（1）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；
（2）送行掃描信號，選通LED陣列的第一行并延時；
（3）行消隱，行掃描信號下移一行并重復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設定。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，提高了響應速度。LED顯示單元可靈活擴展，滿足不同需求。