LED显示屏控制器的设计及实现.docx
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LED显示屏控制器的设计及实现
学科分类号
本科生毕业论文（设计）
题目（中文）：
LED显示屏控制器的设计与实现
（英文）：
TheDesignandImplementationof
LEDDisplayController
学生：
学 号：
2013年05月15日
本科生论文（设计）作者签名：
年月日
摘要I
关键词I
AbstractI
KeywordsII
1前言1
1.1LED电子显示屏概述1
1.2LED电子显示屏的分类2
1.3LED显示屏市场前景2
2LED显示原理的分析3
2.1LED点阵模块结构3
2.2LED动态显示原理4
3系统设计的任务与方案论证7
3.1设计任务7
3.2设计方案论证7
3.2.1显示单元模块的选择7
3.2.2主控制器的选择8
3.2.3点阵数据存储方式的选择9
3.2.4系统总体结构及原理分析11
3.2.5工作原理分析12
4硬件电路设计13
4.1LED控制卡电路设计13
4.1.1列驱动电路设计14
4.1.2行驱动电路设计15
4.2时钟模块电路设计16
4.3温度驱动电路设计16
4.4MAX232串行通信电路设计17
4.5系统电源及通信电缆的选择18
4.5.1对于LED显示屏的电源要求18
4.5.2开关电源在LED屏应用中的优势19
5系统软件设计19
5.1上位机软件设计19
5.2汉字字模的提取方法21
5.3上位机与单片机通信协议22
5.4下位机软件设计23
5.5中断数据处理25
6测试结果与分析25
6.1上位机软件测试25
6.2汉字移动测试26
6.3结果分析26
7总结26
参考文献28
致29
附录ALED显示屏控制卡原理图30
附录BLED显示屏控制卡PCB电路图31
附录CVB上位机界面32
附录D本设计显示效果图片32
附录E程序清单33
LED显示屏控制器的设计与实现
摘要
本设计是以STC12C5A60S2单片机作为核心控制器件，外围存储芯片实现汉字编码的存储，可以实现中英文字符和动态显示，并且可以通过级连的方式来扩展显示屏的尺寸，增加显示容。
本设计采用VisualBasic6.0编写上位机，上位机与下位机采用RS-232通信标准来实现。
上位机向下位机发送控制命令和需要存储的汉字编码，下位机接收数据并处理上位机发送过来的控制命令以及显示编码。
由LED控制卡驱动32*64点阵屏显示，利用人眼的滞留现象，达到能够实时修改显示容的目的。
关键词
上位机；LED显示屏控制卡；32*64单色点阵屏；时钟芯片
TheDesignandImplementationofLEDDisplayController
Abstract
ThisdesignisbasedonSTC12C5A60S2microcomputerasthecorecontroldevice,toachievethestorageoftheChinesecharactercodingthroughexternalmemorychips.ThefunctionofthesystemcanbeachievedinEnglishcharactersanddynamicdisplayorcanbeconnectedincascademannertoexpandthesizeandthecontentofdisplay,.preparationofPCprogrammedbyVisualBasic6.0,thecommunicationstandardbetweenthePCandthemicrocomputerisRS-232.ThepreparationofPCsendcommandsandChinesecharactercodingthatneedstobestoredtoMCU,thenextcrewprocessescommandsandthedatathatwassentfrompreparationofPCanddisplaycoding,32*64dotmatrixdisplaydrivenbytheLEDdisplaycontrolcard.Achievingthepurposeofdisplaycontentscanbemodifiedintimethroughhumaneyephenomenon。
Keywords
Hostcomputer;LEDdisplaycontrolcard;32*64monochromedotmatrixscreen;Clockchip
1前言
1.1LED电子显示屏概述
LED电子显示屏（LightEmittingDiodePanel）是由几百至几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。
利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED像素点[1]。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕[2]。
LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。
LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点[3]。
因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展[4]。
本文主要研究一种基于STC12C5A60S2单片机的LED点阵屏的控制系统，显示面板为单色32*64点阵屏，控制卡上集成了温度传感器和时钟模块，可以独立显示时间和温度。
并且有按键可以直接在下位机上调整时间与显示速度,与上位机采用RS-232通信的方式,控制更加简便。
1.2LED电子显示屏的分类
（1）、按颜色分类：
单基色显示屏:
单一颜色（红色或绿色）。
双基色显示屏：
红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。
全彩色显示屏：
红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。
（2）、按显示器件分类：
LED数码显示屏：
显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。
LED点阵图文显示屏：
显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。
（3）、按使用场合分类：
室显示屏：
发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。
室外显示屏：
面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在下工作，具有防风、防雨、防水功能。
（4）、按发光点直径分类：
室屏：
Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm。
室外屏：
Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm。
室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒共同发光增强亮度[5]。
1.3LED显示屏市场前景
LED全彩显示屏，是20世纪90年代在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体。
它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏幕，结合了微电子技术、光学技术、计算机技术、信息处理等现代高新技术，以其可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比合理、使用成本低等特点迅速成为大型平板显示的主流产品，以其明显优越于背投、等离子、液晶显示及电视屏幕的性能而在信息显示领域得到了广泛的应用，如体育场馆、大型展览馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所[6]。
尤其是以其高亮度，大面积显示而让更多人在户外也感受到信息时代的来临。
显示信息无处不在。
据业专家预测，今后几年全球各类LED显示屏需求每年均达到几十亿美元，且还在逐年递增。
国际大都市如纽约、巴黎、伦敦都普遍使用大型LED全彩显示屏作为信息传播、广告宣传的新型载体。
在中国，随着经济的飞速发展，各类场馆的兴建和市政工程改造项目的兴起，国市场LED显示屏需求增长率更是高达30％以上。
按每年30%的增长速度，LED显示屏的市场规模将会不断的壮大，由于LED产品具有性能稳定、寿命较长、功耗较小以及价格低廉等优势，因此在各种实际应用中具有较强的市场竞争力，市场前景十分广阔。
2LED显示原理的分析
2.1LED点阵模块结构
八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成[7]。
这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
LED点阵规模常见的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。
根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。
像素颜色不同，所显示的文字、图像等容的颜色也不同。
单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示容的颜色由像素不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示[8]。
本系统所使用的8×8单色LED点阵显示器的部电路结构和外形规格如图2.1所示，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。
图2.18×8单色LED模块部电路
LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号。
如5x7点阵显示器用于显示西文字母，5×8点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。
用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类大屏幕显示方法常通过PC机或单片机控制驱动。
2.2LED动态显示原理
LED点阵显示系统中各模块的显示方式:
有静态和动态显示两种。
静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可以显示各种图形或文字信息。
点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。
将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面[9]。
最典型的例子就是电影放映机。
在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，便于PBC的布局难度促进工厂批量生产，因此在LED显示技术中被广泛使用。
以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。
红色水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。
相邻两行线间绝缘。
同样，红色竖直线X0、X1……X7叫做列线，接部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。
在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。
则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。
比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。
再如Y0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。
现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“9”的过程。
其过程如图2.2所示。
图2.2用动态扫描显示字符9的过程
假设X,Y为两个8位宽的字节型数据，X的每位对应LED模块的8根列线X7-X0，同样Y的每位对应LED模块的8根行线Y7-Y0。
在这个示例中，Y叫行扫描线，行扫描线在每个时刻只有一根线为“1”即有效行选通电平，X叫列数据线，其容就是点阵化的字模数据的体现。
下面用伪代码描述动态显示的过程。
（1）．Y=0x01,X=0xFF,如图2.2第一行；
（2）．Y=0x1C,X=0x02,如图2.2第二行；
（3）．Y=0x22,X=0x04,如图2.2第三行；
（4）．Y=0x22,X=0x08,如图2.2第四行；
（5）．Y=0x1E,X=0x10,如图2.2第五行；
（6）．Y=0x01,X=0x20,如图2.2第六行；
（7）．Y=0x04,X=0x04,如图2.2第七行；
（8）．Y=0x38,X=0x80,如图2.2第八行；
（9）．跳到第
（1）步循环。
如果高速地进行
（1）到（9）的循环，且两个步骤间的间隔时间小于1/24秒，由于视觉暂留。
LED显示屏上将呈现出一个完整的“9”字符。
这就是动态扫描的原理。
只不过实际运用的时候，列线和行线通常不止8位，还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做扫描线。
例如0601条屏（每行6个汉字，共1行），行线有16根，列线有96根[10]。
如果用列线来做扫描线，则每列LED在每96次循环扫描中只可能亮一次，则其发光视觉平均亮度为直流亮度的1/96。
如果用行线来做扫描线，则每16次循环，每行LED就能亮一次，其发光视觉平均亮度为直流情况下的1/16。
可见，用行线做扫描线，因为其发光周期的占空比较大，其视觉亮度是用列线做扫描线的6倍。
因而发光效率比前者高。
在实际运用的时候，还要在每两帧之间加上合适的延时，以使人眼能清晰的看见发光。
在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。
比如先将扫描线全部设置为无效电平，送下一行的列数据后再选通扫描线，避免出现尾影。
3系统设计的任务与方案论证
3.1设计任务
本设计的任务要求完成可以控制兼容T12和T08显示屏单元板并可扩展显示单元数目的单色动态调幅屏
（1）、显示区域：
单色显示64＊32点;
（2）、通过上位机修改显示容，按键可改变显示容;
（3）、能存储16＊16点阵汉字不少于64个。
3.2设计方案论证
3.2.1显示单元模块的选择
LED显示屏显示一个简单的汉字，至少需要一个16*16点阵单元来构成，根据发光点直径的大小分为3.75mm和5mm的LED点阵模块。
方案一：
3.75mm的小型发光二极管组成的8*8的点阵模块，发光亮度不足，电流过大时易烧坏，远距离观看视觉效果模糊一般把3.75mm的屏作为室屏使用。
方案二：
5mm直径组成的8*8点阵模块，在同样的距离5mm直径的发光二极管组成的8*8的点阵模块所发出的亮度值大约是3.75mm单元模块的一倍，清晰程度也高于3.75mm的单元模块。
因此为了在较远距离处获得清晰的视觉效果，本设计选择方案二，采用32个8×8点阵单元，像素直径5mm的LED模块拼接成32*64的LED显示屏。
这样每个8×8汉字能够获得16×16cm的显示尺寸，因此在50米处仍能清晰阅读。
而本设计使用是一块完整的32*64的点阵屏，能同时显示8个汉字。
3.2.2主控制器的选择
随着广告屏显示容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。
从单片机，到FPGA，直到现在的ARM处理器。
控制器的种类也在不断发展以适应市场需求,不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。
方案一：
以单片机（STC12C5A60S2高速单片机）为控制器的LED显示屏。
STC12C560S2单片机是传统的8051单片机的升级版，外部时钟频率可达到80MHZ、60K的FLASH存储器、1280字节的ROM和10位A/D转换，拥有P4口适合需要多个I/O的设计系统。
其部资源对于点阵单元模块确定的条屏LED显示屏，无论从存储容量还是单片机的执行速度都能很好的适用单元点阵模块确定的LED显示屏
方案二：
以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。
FPGA以高速、并行著称。
是近年来新兴的可编程逻辑器件。
用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。
因此被运用于双基色、三基色的显示系统。
但是其成本较高，开发难度较大。
方案三：
以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。
ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。
因此其运算能力非常强大，部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。
在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。
ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。
因此，以ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。
经过上面方案的比较最终确定选择方案一，选用STC12C5A60S2单片机作为本次设计的核心控制器，其部资源丰富、成本比较低廉各项功能均能满足本设计的要求。
3.2.3点阵数据存储方式的选择
目前使用最广泛的技术是，通过上位机软件将待显示的字符串转换为对应的点阵字模数据，通过烧写的方式将这些字模数据按一定的顺序编址后存储在E2PROM中。
在条屏显示的过程中按规定的方式取出E2PROM中的字模数据进行处理。
对于一个16*16点阵的汉字字模数据，需要连续32字节的E2PROM空间来存储。
照此计算，若有256个需要显示的字符，则至少需要32B×256=8192字节（8KB）的E2PROM存储空间。
通常的单片机部没有集成这么大容量的E2PROM。
因此需要在单片机外部扩展大容量的E2PROM。
方案一：
选用FLASH存储器来存储上位机发送过来的汉字编码，FLASH存储器种类多样，其中最为常用的为NOR型和NAND型FLASH。
通常NOR型比较适合存储程序代码，其随机读写速度快，容量一般较小，且价格较高，一般只能整块读写数据，随机存取能力差。
它们对数据的存取不是使用线性地址映射，而是通过寄存器的操作串行存取数据。
FLASH存储器的擦除过程相对费时，且擦除流程相对复杂。
方案二：
选用AT24C64存储器来存储汉字编码，AT24C64采用的是I2C总线接口方式，I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。
连接总线的器件的输出必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。
I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。
它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线和连在总线上的上位机进行通信，并根据地址识别每个器件。
采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其部不仅有I2C接口电路，而且将部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。
CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统既简单又灵活的扩展与控制。
由于本设计的任务是需要存储汉字不少于64个，采用FLASH芯片来存储汉字编码，其操作复杂、成本太高，不适合在本次设计中采用FLASH芯片，因此本设计采用方案二来存储上位机发送过来的汉字编码并用寻址读取数据。
3.2.4系统总体结构及原理分析
通过对各种方案的比较与分析，初步构建硬件系统框图如图3.1所示。
图3.1LED显示屏系统框图
在图3.1中，X0、X1—Xn为显示单元。
整个显示单元由一个32*64点阵的LED模块和一个32位宽的移位锁存器（串行—并行转换器）构成。
所有显示单元的16根行线均连接到公共的行扫描驱动电路。
而每个显示单元的列数据则由16位移位锁存器并行输出口提供。
中央微处理器MCU负责与所有外围设备的协调通信，以及各种算法的处理。
MCU通用I/O口来驱动行扫描驱动电路。
通用I/O口模拟同步串行接口以实现和列数据锁存器（移位锁存器）之间的单向通信。
3.2.5工作原理分析
单片机上电复位后，先从外部存储器E2PROM读取上次存储在部的显示模式，在32*64单色屏中上半屏存储时间、温度等数据。
下半屏存储的是上位机要传输过来的数据。
进入下载模式后从上位机传送来的数据经过MAX232串口存放到单片机部的扩展数据存储区，在AT24C64存储区中开辟192字节（1536位）动态显示缓冲区Display_Buffer和32字节的字模数据缓存区Temp_Buffer,两个缓存区编址连续。
Display_Buffer中的一位与LED的一个点阵一一对应。
遵循结构化的程序设计思路,把单片机在显示模式时所有工作量分为以下三个任务：
（1）、扫描显示任务：
扫描显示任务负责把Display_Buffer中的数据依次发送到列驱动器74HC595，并按严格的时序高电平选通十六根行扫描线（Y0—Y15），使每一列数据对应着一个行线状态。
（2）、移动处理任务：
移动处理任务负责完成显示字符逐点阵向左移动的算法处理，这是最基本的显示效果。
其它大部分显示效果如：
左移六字暂停，全屏定格显示等都是以逐位左移为基础。
对显示字符的移动，实质上是对显示缓冲区Display_Buffer数据的移动。
该算法是将Display_Buffer和Temp_Buffer中的数据首尾相接地左移一位，并不断把Temp_Buffer移入Display_Buffe。
（3）、字符更新任务：
在单片机的xdata区开辟了32字节的字模数据缓存区Temp_Buffer。
该缓存区与Display_Buffer编址连续。
当调用字符更新任务时，程序从E2PROM码区指定位置读取相邻两字节的汉字码数据。
并通过一定的算法，把上位机发送的汉字编码转换成标准的GB2312汉字编码。
单片机通过I2C接口，向E2PROM发送读命令和地址，单片机连续读取32字节的全角汉字字模数据或16字节的ASCII半角字模数据。
这些字模数据就存储在32字节的字模数据缓存区中。
字模数据缓存区Temp_Buffer中的数据可通过调用移动处理任务而逐位转移至动态显示缓冲区Display_Buffer中，这样在LED显示屏上就显示我们所需要的容。
4硬件电路设计
4.1LED控制卡电路设计
LED点阵屏控制卡是整个LED显示屏的核心控制器件，它集成了STC12C5A60S2主控芯片、时钟芯片、温度传感器、存储芯片、串口转换电路为一体的控制器，它是控制点阵屏的核心部分，各项功能的实现必须经过控制卡的控制。
通过LED控制卡来驱动32*64显示屏上面的行，列选通芯片，把十六进制汉字编码送74HC595显示。
本系统设计的控制卡接有标准的T08接口和T12接口，也适合其它型号的点阵屏使用本控制卡，因此控制卡的设计非常重要。
图4.1为核心控制器件与标准的接口，其他各个部分控制电路（见附录A）
图4.1控制卡原理图
4.1.1列驱动电路设计
本设计中32*64点阵屏的列驱动电路由16片串联的8位移位锁存器74HC595构成，如下图4.2所示，通过第一片串行数据输出脚（SQ）接入第二片的数据输入端,再从第二片的数据输出脚接入第三片595的14（SI）脚数据输入端，这样通过多片级联就可以控制多个点阵屏模块的列选，再加上时钟线（CLK），输出锁存数据线（RST），多块595级联时也只要控制这三个控制端口我们就可以控制32*64点阵屏的列选号的输出。
74HC595在5V供电的时候能够达到30MHz的时钟速度，每个并行输出
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