LED大屏幕研究.docx

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LED大屏幕研究

目录

1．概论-------------------------------------------------------------------------1

2．前言-------------------------------------------------------------------------1

3．设计要求-----------------------------------------------------------------4

4．设计内容-----------------------------------------------------------------4

5．设计步骤-----------------------------------------------------------------4

6．第一章方案的提出与论证-----------------------------5

7．第二章硬件电路设计、原理及

实现过程中遇到的问题------14

8．第三章软件的设计-----------------------------------------25

9．结束语----------------------------------------------------47

10．参考文献----------------------------------------------

11．附：

设计任务书1份

电路原理图1份

LED大屏幕研究

【概论】

主要论述此次毕业设计的设计要求、设计内容、设计步骤和设计的主要过程中的细节问题以及遇到的实际问题及其解决方法。

【前言】

随着信息化社会的发展和各种新媒体的出现、高精度电子化系列产品的普及，在人们和各种装置之间担负着桥梁作用的电子显示器件越来越重要，尤其是各种发光型和受光型的平板显示器件更是如此。

例如：

等离子体显示器件（PDP）、LED点阵显示器件等。

由于具有薄型、轻质、低电压驱动、低功耗等特点，因而它们将发展成为显示器件的主流。

作为平板显示器件之一的LED大屏幕显示器件以广泛应用于钟表显示和各种信息显示牌，并且在交通、办公自动化、计算机终端显示及挂壁电视等方面的应用前景更加广阔。

当前，各发达国家，尤其是美国和日本两国之间竞争十分激烈，倾注了大量的人力、财力从事LED大屏幕显示器件的研究和开发工作，使其得到迅速的发展，并形成了相当规模的产业，而我国全彩色LED显示器件的研究和生产都还处于起步阶段。

LED显示屏由发光二极管阵列构成。

它经历了单色屏、三色屏、256级灰度屏以及全彩色屏四个阶段。

单色屏只具有一种颜色，广泛用于文字信息显示；三色屏的一个像素点是由红绿两种发光二极管构成；256级灰度屏也是由红绿两种发光二极管构成的，但每种发光管可以发出16个等级的光，因此就构成了256个灰度级；全彩色屏的每个像素点由红、绿、蓝三种发光管构成。

全彩色屏就是本次毕业设计研究的主要内容。

LED大屏幕显示集图象处理技术、信息通信技术、大规模集成电路技术于一体。

因此本次毕业设计旨在加深我们在单片机、可编程逻辑器件方面的理论知识，加强我们在信息通信方面的实践经验；因此我们十分珍惜这次机会，把自己的全部精力投入这当中来，争取能很好的完成任务，能学到更多的知识，为以后报效祖国打好基础。

【设计要求】

A）主要任务

结合给定的设计任务与要求，广泛阅读有关文献、资料，进行有目的的调研，收集资料。

在此基础上完成系统方案设计、装配、调试和软件设计，最后试验电路。

B）主要要求

考虑到时间和经费的限制，指导教师在我的毕业设计任务书中分别提出了基本要求和发挥部分要求，基本部分是本次毕业设计必须完成的内容，发挥部分是选做内容。

基本要求：

1、显示固定中文和英文字母，有字型转换功能；

2、可以显示固定图形或曲线；

3、点阵数为16×16

发挥部分：

1、彩色显示

2、设计标准VGA接口电路和远距离通讯电路，通讯距离为

200米

3、成本低，可靠性高，抗干扰能力强

4、减小体积，增加保密性，使用FPGA或CPLD芯片设计

【设计内容】

A）撰写二万字符的毕业设计报告书；

B）完成四万印刷字符的外文资料翻译；

C）计算机绘制4#图纸2张

D）制作出试验电路，可以联机调试程序

【设计步骤】

A）熟悉分析设计任务书，根据设计要求广泛查阅参考有关资料，进行针对性的调查研究；

B）设计多种方案并对各种方案进行论证、比较，确定最可行的方案；

C）根据设计要求和所选方案，确定功能技术指标，保证满足设计要求；

D）按系统工程要求进行硬、软件功能权衡和划分；

E）将工作分工后，分别进行软、硬件的设计与仿真；

F）仿真调试通过后，将应用程序固化，然后进行现场调试，发现并解决抗干扰不够完善和现场的设备配合衔接不好等问题，随时发现，随时进行修改，直至成功。

G）实验成功后，按人机工程学原理进行外观设计。

第一章方案的论证选择

【分析】

根据毕业设计任务书,要求本机具有标准VGA接口，因而不难得出本机的整体框图如图1所示：

图1系统整体框图

下面逐一论证、选取各部分电路。

第一节、标准VGA接口及通讯电路的实现方案

在目前，数字图象接口还没有一个统一的国际标准，主要还是采用一般显示器的VGA接口标准。

在这里，需要我们论证的是通讯电路的设计方案。

在参阅大量图象显示器资料的基础上，初步拟出以下几种通讯方案：

（1）直接利用TTL电平通讯；

（2）利用RS—232C接口标准通讯；

（3）利用RS---499接口标准通讯；

（4）利用20mA电流环极口标准通讯；

（5）利用RS---422接口标准通讯；

在选择通讯接口标准时，通常应考虑以下几点：

1、可靠性

可靠性问题是选择通讯接口标准时首先考虑的问题。

因为不同的通讯接口标准对其环境工作条件有不同的要求，只有在满足其所要求的工作条件下，该通讯接口才能可靠的工作。

2、通讯速度与通讯距离

这两个指标具有相关性。

适当降低通讯速率，则可以提高通讯距离，反之亦然。

例如：

当采用RS—232电平通讯接口时，它所能提供的单向数据传输的最大速率为20Kb/s，此时的最大传送距离为15m。

如果适当降低其速率，则其最大传送距离可增加到60m。

3、通讯接口的抗干扰能力

在使用条件范围内，各种通讯接口都具有一定的抗干扰性，但其抗干扰能力各不相同。

抗干扰能力由大到小排列，顺序为：

20mA电流环通讯接口，RS—422通讯接口，RS—499通讯接口，RS—232通讯接口，TTL电平通讯接口。

一、直接利用TTL电平通讯接口通讯

在现行的计算机显示器通讯接口中普遍使用TTL电平直接通讯。

这种通讯接口的数据传输速率局限在20Kbps以下，传送距离局限在1.5m以内，显然无法满足任务书所要求的200m通讯距离要求。

二、RS232通讯接口

RS232通讯接口是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）于1962年制定并于1969年最后一次修改而成的一种通讯物理接口。

由于RS—232接口标准的接受器与发送器之间有公共信号地，不可能使用双端信号（差分信号），只可能传送单端信号，这样，共模噪声就会耦合到系统中。

传输距离越长，干扰就越严重。

因此，为了可靠地传送信息，不得不增大信号幅度。

RS232标准规定，采用负逻辑，低电平在—5V~--15V之间（通常用—12V表示）为逻辑“1”，上述电平称为EIA电平，它与TTL电平不同。

高电平在+5V~+15V之间（通常用+12V表示）为逻辑“0”。

由上可知，RS232标准的电平（EIA电平）与TTL电平和CMOS电平不同。

为了使TTL电路间能采用RS232进行通讯，必须进行电平转换，如图2所示。

图2RS232接口电平转换

图2中MC1488和MC1489是TTL电平与RS232电平转换专用芯片。

MC1488是发送器，它把TTL电平转换为RS232电平，MC1489是接收器，它把RS232电平转换为TTL电平。

图2中滤波电容C2用来控制RS232总线上信息的上升时间，从而提高RS232的抗干扰能力，C2一般取0.001uF~0.01uF,有时可取更小的值。

脉冲的陡峭边缘含有高频分量，这些高频分量并不是所要传送的信息，但它却容易耦合到附近的信号线上，引起称之为“交叉串扰”的噪声干扰。

如果采用双扭线或平衡信号（双端信号或差分信号），可以减轻串扰干扰。

但当电缆很长时，仍需采取进一步措施。

不过无论采取什么办法，想办法滤出这些高频分量总是办法之一。

图2中的C1就是用来滤出这些高频分量的。

不过这样回降低MC1488输出的转换速率。

例如，如果C1=0.001uF，MC1488的输出速率为10V/us，若C1=0.01uF，转换速率为1V/us。

由上可以得知，RS232的电器特性标准如下：

●带3kΩ~7kΩ时驱动器的输出电平：

逻辑0：

+5V~+15V

逻辑1：

--5V~--15V

●不带负载时驱动器的输出电平：

-2.5V~+25V

●驱动器通断时的输出阻抗：

>300Ω

●接收器最大承受±25V的信号电平

●输出短路电流<0.5A

●驱动器转换速率<30V/us

●接收器输入阻抗：

3kΩ~7kΩ

●数据传送速率局限在波特率2万以下

●传送距离局限在15m以内

根据毕业设计任务书200m通讯距离的要求，RS232标准也不能满足设计要求。

三、RS499通讯标准

由于RS232的数据传送速率不高、距离不长且在各接口处信号间容易串扰等缺点，我们又想到了RS499标准。

RS499标准是美国电子工业协会于1977年公布，可以代替RS232的物理标准。

但又与RS232不同。

规定RS232中传送信号的两条线中一条是公共地线，另一条是信号线，传输的是信号线上的单端信号。

而RS499则不同。

RS499规定，甲乙两设备间用于传送信号的两条线均为信号线，以两信号线的电位差作为所传送的信号。

也就是说传送的是双端信号或称差分信号。

两条信号线或者均不接地，或者仅其中一条信号线的一端与某设备地相连，而另一端悬空。

这样就避免了两设备的地电位不同引起的干扰。

RS499标准规定，信号线上传送的是差分信号，可在1220m的24—AWG双绞线上进行数字通讯，速率可达90000波特。

但是还应明确一点，在目前使用RS499标准的集成芯片较少，不利于系统体积的减小。

四、20mA电流环通讯接口

20mA电流环是目前应用很广泛的一种通讯接口电路，它的最大优点是低阻传输线对电噪声的不敏感，而且实现光电隔离，在长距离通讯中比RS232优越得多，可用于2000m以内和9600波特以下的数据通讯中。

图3是带光电隔离的电流环通讯接口电路。

图中光电隔离器根据所需传送速率选择。

图320mA电流环

这种电路从理论上讲应能起到隔离、放大和抗干扰的作用，但试验发现在数据输出端数据输出不稳定，用示波器观察得波形如图4：

输入波形

输出波形

图4光电耦合器件的输入输出波形

从波形可知是光耦构成了二阶系统形成振荡，导致数据不能正确的输出，如果在数据输出端并联电容来滤出振荡，则回降低传输速率，甚至某些窄脉冲也会被滤出掉。

如果想解除此振荡，就得增大电路的阻尼，这样就会减低传输回路的电流，抗干扰能力反而下降。

五、RS422通讯接口标准

RS422通讯接口规定了双端电器接口型式，它采用差动（差分）接收、差动（差分）发送的工作方式，利用双端线来传送信号。

如果其中的一条线是逻辑状态（+200mV~+6V），则另一条线就为逻辑0状态（—200mV~—6V），如图5所示。

由于RS422通讯接口的电压传输回路是双端的，因而可以大大的改善通讯性能。

当采用此通讯接口标准时，其允许的最大传输速率为10Mb/s，在此速率下的通讯距离可达200m。

如果适当降低其通讯速率，可增加其通讯距离。

例如，当其速率降为10kb/s时，其最大通讯距离可达1200m。

图6是RS422接口电平转换电路。

其中MC3487用于把输入的TTL电平转换为RS422电平，MC3486用于把RS422电平转换为TTL电平。

它们都是单一的+5V供电。

图5图6RS422接口电平转换

由以上的论述，我们选择RS422通讯接口标准作为我们设计此系统的通讯电路基础。

第二节、视频信号的灰度控制

为了把一幅图象的灰度层次显示出来，就需要把图象上每个像素的颜色根据其亮度转换成相应的电信号来控制发光管，使其发出不同亮度的光。

这一步由A/D变换实现，通过A/D变换可把每个像素点的每种颜色分别量化成4位数据，来实现16个灰度层次，全彩屏就有4096级灰度层次，这样就能实现灰度图象的显示。

主要的显示方案有：

（1）电流型灰度显示方案

（2）灰度分时显示方案

一、电流型灰度显示

通过上述分析可知，实现全彩屏4096级灰度层次的实质问题就是使每种颜色的发光管发出6个不同等级的光来，在电路实现上，其亮度可以通过控制流经发光管的电流的大小来实现。

这是一种较直观、易理解的方案，其工作原理示意图如图7所示。

D0~D3为数据位，当数据为“1”时，该数据控制的开关接上端短路线，否则电流流经R，其余三位工作方式完全一样，LED的饱和压降为UF，它们的电流控制关系如表1所示。

图7电流型灰度显示原理示意图

表1电流控制关系

现假定LED导通电阻为0，则当数据不断变化时，流过LED电流也在不断的变化，因此每种颜色的发光管可以实现16级灰度的显示。

上述方案看似简单易行，实际实现中却有很大困难。

由于各个LED的特性不完全一样，而且发光管电流线性区较窄。

这样，很可能导致在同样灰度等级时两个管子流过的电流大小是不一样的，也有可能在不同的灰度等级时流过相同的电流，这同样给灰度的正确显示带来了困难。

因此，在设计中，不采用这种方案。

二、灰度分时显示方案

由于人的视觉特性，人眼对某亮点的感觉不仅与该点的亮度有关，还与该点被点亮的时间长短有关，因此发光管的亮度还可以通过控制二极管点亮的时间来控制其灰度层次，这种方案的显示效果比较好。

为了让每种颜色LED显示出16个灰度层次，可将显示时间均分成15等份。

如图8所示，对应不同的数据，点亮的时间也是不同的，高电平对应点亮时间。

亮的时间长，平均亮度自然要大。

由于人眼对亮度的感觉在一定程序下是一个积分效果，所以考虑到视觉因素的影响，数据全“1”时亮度并不是数据为0001是的15倍，但可以肯定的是LED导通时间更长一些，发出的光的光平均强度更大一些，而且将一段时间等份在电路中便于实现，所以我们在LED全彩色显示屏的设计中选择这套方案。

图8分时灰度显示控制波形

由于二极管的饱和压降基本上相等并且较小，在这种条件下，电路上很容易是所有二极管导通时能流经大致相同的电流，再将时间进行等分，克服了第一种方案中不同发光管灰度对应电流不相同的缺点，可能较真实地再现出图象的灰度层次，显然这一方案更为科学。

实现图8的波形是灰度显示的关键。

由于4位数据的取值决定了显示时间的占空比，故可选用预置计数器来实现。

74LS169（以下简称169）是最常用的4位可预置计数器。

输入引脚其中包括4位并行数据线（P0~P3）、并行装入信号LOAD、计数工作允许信号CET、计数器允许输入信号CEP以及始终CP，另有计数方向控制端U/D；输出包括4位计数器输出线以及一个计数器完成输出TC。

当计数器允许工作时，其内部以16为周期循环计数。

工作在UP（U/D=H）状态时

TC=Q0·Q1·Q2·Q3·（U/D）

工作在DOWN（U/D=L）状态时

TC=Q0+Q1+Q2+Q3+U/D

因此TC输出通常状态下为高。

当计数器在UP工作方式计数至15或在DOWN方式下计数至0是变为低电平。

为产生时分波形，将TC信号反馈至计数器允许控制端CEP即可，电路如图9所示。

若一幅图象中的某一像素点的亮度信号经量化后变成1010，加到P3~P0端。

LOAD为L时，装入数据，此时TC=H。

此后，LOAD变为H，计数器做减法计数，直到P3~P0为0000，此时，TC=L。

此后输出保持不变，直到LOAD变低后，上述过程又重新开始。

在本系统中，我们使用大规模可编程逻辑电路来实现这一控制过程。

图9控制波形产生电路

第三节、多行频自动同步系统的实现方案

多行频同步是具有标准VGA显示屏区别于电视机与其它显示器的最具特色的功能之一。

它之所以能在变化范围很宽的多种行频条件下实现自动同步，就是要有一套多行频自动同步电路。

方案1、采用VGA显示器成熟的多行频自动同步电路。

该方案的关键就在于使用了LM331N集成电路，它能精确地把不同频率的输入信号转变成相应幅度的输出控制电压，再将此控制电压加载到行信号振荡电路，迫使行振荡信号与图象信号中的行扫描信号同步。

此电路是一个比较成熟的电路，使用起来可能会顺手一些，但是这种方案不便于以下所说的芯片集成。

方案2、采用大规模可编程逻辑器件将多行频自动同步电路、行地址和列地址发生电路集成在一片芯片上。

这主要是软件编程工作。

具体论述见下一节的行地址和列地址发生电路。

第四节、行地址和列地址发生电路的实现方案

由于CRT显示器行扫描和场扫描均是由一锯齿波控制电压控制电子的偏转来完成的。

在本系统中显示的载体是LED点阵板，故必须要寻找其它方案。

我们受多行频自动同步系统中的频率/电压转换电路的启发，决定使用FPGA来实现行地址和列地址发生电路以及多行频自动同步电路。

首先要叙述一下精密频率/电压转换器LM331N设计的基本原理。

为便于分析，我们把LM331N中与频率—电压转换直接有关的电路和逻辑功能简化为图10所示。

图10LM331N电路和逻辑功能简化图

可见其核心电路是一个R-S触发器，它由四个NPN型三极管组成，属高电平代表1、低电平代表0的正逻辑关系。

其中Q57与Q58、Q59与Q60组成两个或非门。

它们都具有如下逻辑功能：

或非门两管中只要有一个饱和导通，其输出端“Q”或“Q”必为低电平“0”；只有两管同时截止时，才能保证其输出端“Q”或“Q”必为高电平“1”。

简化电路中又设输入比较器的输出端为“S”，它是R-S触发器的“置1”控制端；定时比较器的输出端为“R”，它是R-S触发器的“置0”控制端。

另外，R-S触发器的输出端Q，一路经Q61、Q63两次倒相加到复位管Q64基极，直接控制定时比较器输入端第5脚的工作状态：

当Vp变为高电平是，Q31、Q30、Q29均截止，使Q28也截止，于是镜像横流源Q1经Q19向第一脚外接电容器C204充电，使第一脚电压V1迅速升高；当Vp为低电平时，Q28饱和导通，使镜像横流源Q1电流全部经Q28到地，Q19被反偏截止，切断了向第一脚外接电容器的充电回路，于是C204上积累的电荷开始经R207放电。

经过上述电路处理，就能把不同频率的交流输入信号变换成不同幅度的直流输出电压。

基于上述原理，我们设计以下方案：

用一频率测量模块测出同步信号的频率，然后再用同步信号去控制一倍频电路形成我们所需显示地址发生电路。

第二章、硬件电路原理与设计

整机电路如副图1所示。

由计算机显示卡输出的R、G、B和Rˊ、Gˊ、Bˊ数字信号经标准VGA接口和远距离通信电路加到LED大屏幕显示系统的缓冲接口电路六反相器74LS04P，经倒相整形的R、G、B和Rˊ、Gˊ、Bˊ信号又送入电流放大电路，为驱动电路提供信号。

由主机显示卡输入的行场同步信号，经接口及通信电路输入集成电路74LS86P，以产生负极性的行场同步脉冲信号，再将此负极性的行场同步脉冲信号送入以FPGA为主的行、场扫描信号发生电路，同时实现多频自动同步系统、灰度和亮度控制系统、行场幅度自动控制系统。

最后由驱动电路驱动LED点阵显示。

第一节FPGA的特征

用户现场可编程门阵列器件（FPGA）是一种新出现的可由用户自行定义配置的高容量的专用集成电路（ASIC），其将定制的VLSI电路的单片逻辑集成的优点和用户可编程逻辑器件的设计灵活，工艺实现方便，产品上市快捷的长处结合起来，目前已成为一类标准的产品。

高集成度、高速和高可靠是FPGA/CPLD最明显的特点，其时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。

在高可靠应用领域，如果设计得当，将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。

FPGA的高可靠性还表现在，几乎可以将整个系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。

由于FPGA的集成规模非常大，可利用先进的EDA工具进行电子系统设计和产品开发。

由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬件结构没有关系，所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号和规模的FPGA，从而使产品设计效率大幅度提高。

FPGA以结构上而言，主要由三个部分组成：

可编程逻辑块CLB、可编程输入/输出模块IOB、可编程内部连线PIC。

目前FPGA使用较多的主要是Lattice公司的在系统可编程芯片LatticeispLSI系列。

LatticeispLSI1016的基本特征是：

·2000个可编程逻辑门

·96个触发器

·最高工作频率：

60～110MHz

·兼容TTL输入输出电平

·适用于随机逻辑设计的小尺寸模块

·电可擦及可重复编程周期10000次

·可以关闭未使用乘积项以利于降低功耗

·具有引脚锁定功能

·同步与异步时钟输入和逻辑设计

·任一I/O接口可编程为组合、时序和锁存方式的输入/输出，或编程为具有三态控制的双向I/O，具有在系统诊断能力

·非易失性EECMOS技术

·32个通用输入/输出引脚

·高速全局时钟输入

·传输延迟：

10ns

·高速全局引脚

·防止非法COPY的可加密单元

·百分之百可测

·+5V在系统可编程功能

·4个专用输入脚，3个时钟专用输入脚，一个全局OE输入脚，1个全局布线池

·可编程输出SLEW率控制，以减少输出噪声

·最佳化的全局布线池使全局连接成为可能

·4mA输出电流，8mA输入电流

·共有16个GLB，每一GLB有8个输入端，一个可编程与/或/异或阵，及4个被设置为组合或时序方式的输出端

LatticeispLSI1032（E）的基本特征是：

·6000个可编程逻辑门

·192个触发器

·最高频率：

70～90MHz

·兼容TTL输入/输出电平

·使用于随机逻辑设计的小尺寸模块

·点可擦及可重复编程周期10000次

·关闭未用乘积项以利于降低功耗

·引脚锁定功能

·同步和异步时钟输入和逻辑设计

·引脚位置可任意设定

·4个专用时钟输入引脚是Y0、Y1、Y2、Y3

·任一I/O接口可编程为组合、时序和锁存方式的输入/输出，或编程为具有三态控制的双向I/O，具有在系统诊断能力

·非易失性EECMOS技术

·64个通用输入/输出引脚

·高速全局时钟输入

·传输延迟：

10ns

·高速全局引脚

·防止非法COPY的可加密单元

·百分之百可测

·+5V在系统可编程功能

·8个专用输入脚，4个时钟专用输入脚，一个全局OE输入脚，1个全局