（计算机应用技术专业论文）学校信息发布系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本文首先介绍了国内外学校信息发布系统的发展和我校信息发布的现状， 并且通过介绍国内l e d 显示屏发展情况，设计了适合我校的信息发布系统。 在文章中详细介绍了系统的功能组成、性能的设计，并且对各个功能加以 详细的阐述。在系统功能的基础上，根据客观情况提出适合学校管理特点的信 息发布平台，在硬件设计中采用了单片机对多个l e d 模块进行控制，在软件设 计部分完成控制文本、表格、图像等信息的发布，并进行了详细的叙述，并提 供了部分源代码。在文章的最后对系统的联调给出了详细的说明。 关键词信息发布：l e d ；电子显示屏；单片机；串口通信 北京_ 业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fi n n e ra n do u t e ri n f o r m a t i o nr e l e a s i n g s y s t e m ( i r s ) a n dt h es t a t eo fo u r sc o l l e g ei n f o r m a t i o nr e l e a s i n g , t h e nd e s i g n st h e i n f o r m a t i o nr e l e a s i n gs y s t e m ( i r s ) b yi n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n to fl e d d i s p l a y i n gb o a r di no u rc o u n t r y t h i sp a p e re l a b o r a t e so d _ t h es y s t e m sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ea n de v e r y s u b - s y s t e m o nt h eb a s eo fr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e ma n dt h er e a ls i t u a t i o n , t h e i n f o r m a t i o nr e l e a s i n gs y s t e mw a sa d o p t e d ，w h i c hm p c l st h ec o l l e g e sf e a t u r e sa s w e l l f o rh a r d w a r ed e s i g n , t h es i n g l c c h i pi sm a d et oc o n t r o lm u l t i _ l e dm o d u l e ；f o r s o f t w a r ed e s i g n , an e ws y s t e mi sd e v e l o p e d , w h i c hc a nf u f i lt h er e l e 丛i n go ft e x t ， t a b l ea n d p i c t u r ei n f o r m a t i o n , a n di nt h i sp a r t ，s o m es o l i r e ec o d e sa r ep r o v i d e d t h e l a s tp a r ts p e e i f i c l yi n t r o d u c e st h es y s t e md e b u g k e yw o r d si n f o r m a t i o nr e l e a s i n g ；l e d ；e l e c t r o nd i s p l a ys c r e e n ；s i n g l e c h i p ； s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的既明并表示了谢意。 签名： 萎纹 关于论文使用授权的说明 同期：塑二竺：，口 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定。即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二邀导师签名：缀嗍业矿 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 学校信息化国内外发展状况 当今社会的发展，科技的进步及一些自然科学和社会科学的新成果，特别 是信息技术的突飞猛进，都为学校工作提供了广阔的发展空间。学校作为国家 的教育机关，担负着教书育人，为国家培养人才的重要职能，它是国家发展的 希望所在，需要积极借鉴、吸收这些人类文明的科技成果，运用现代科技手段 来保证职能的履行学校同时又是社会的窗口，反映了一个国家文明进步的程 度，学校事业作为我国现代化建设事业不可分割的组成部分，必须与整个国家 的现代化建设同步、与社会文明同步。因此，以计算机技术和网络技术为核心 的信息技术在学校领域的广泛应用，把学校各项纷繁复杂的管理工作与当代高 科技紧密结合，促进学校事业的不断发展，是历史和社会发展的必然。新中国 成立后，我国的教育事业也在发生重大的变革，在经历了几十年的发展之后， 将从传统意义上的学校进入全新的信息化时代。 现代社会已经迈入信息化时代，信息传播速度越来越快，人们对信息的依 赖程度也越来越高。信息技术它包括很多方面，如信息的数字化、信息的处理、 信息的传播、信息的存储、信息的转换和信息的再现等等。信息可以分成为文 本、图形、声音、动画、视频等多种形式。各种形式的信息分别以报刊、广播、 电话、电视等多种信息进行发布。随着计算机技术和网络技术的快速发展，信 息存储形式更加灵活多样，传播速度也更加快捷。在网上，信息以各种文件格 式保存，并以数据包的形式在网上传输。 目前国外较为发达的国家对于学生管理早已经实现了信息化自动化的管理 手段。学生从入学直到毕业，这一全过程的相关信息都会以数字化的方式进行 保存，同时对这些数据进行智能化的整理、分析，根据学生的数据特征进行合 理的甄别管理。同过组建这一数据库，教师在学生管理、理论教学、心理教育、 就业指导中都很便于管理，提高了工作效率。 现在我国有很多高校都已采用信息化技术管理学校的若干事务，如学生可 以通过网络进行选课、答疑，考试的试题是计算机随机从题库中抽选的，学生 信息都建有电子档案，在校园网上可以找到学习指导、电子教案、有些学校可 以进行网上授课，等等 本文将从信息发布的角度来论述学校的信息化进程，目前各个学校在信息 发布方面相对落后，多处于人工管理水平高校在日常生活和教务管理中，各 北京工业大学工学硕上学位论文 种学术报告、讲座、通知等信息繁多；学生上课与自习教室都不固定。因而时 常出现学生上自习时，在教学楼内到处寻找教室费时费力，还影响正常教学秩 序；临上课前师生忘记了上课教室( 尤其新生) ，发生师生上课迟到的教学事故； 同时当今高校教学管理人员还是延用传统的黑板、纸张张贴向师生发布信息的 方式，这需要有写字好的人花费时间和精力来书写海报的内容，还要进行粘贴， 不用后还要有人进行清理，既浪费时间、又浪费纸张，如果宣传栏在室外，还 有可能被雨淋，达不到预期的宣传效果，与信息时代格格不入，为此很有必要 建立一套同构的、统一的、能够满足不同规模的信息系统，以此来满足学校系 统现代化的管理需求。 发光二极管( l e d ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 显示屏是八十年代后期在全球迅 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象素单 元组成的平面式显示屏幕，具有可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价 格性能比高、使用成本低等特点，在短短的二十几年中，迅速成长为平板显示 的主流产品，在信息显示领域的到了广泛的应用。 基于以上诸多原因，笔者旨在研究基于发光二极管显示屏在高校信息发布 平台的应用，也同过此项目来提高、锻炼教师的科研能力。 1 2 相关研究领域的现状和研究进展分析 1 2 1l e d 显示屏简介 发光二极管( l e d ) 是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十 年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和pn 结的形成技术研究的进 展，发光二极管在发光颜色、亮度等特性能得以提高并迅速进入批量生产和实 用生产，进入八十年代后，发光二极管在发光波长范围和性能方面大大提高， 并开始形成平板显示产品即l e d 显示屏。 l e d 显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于 一体的高技术屏幕同步的产品。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显式 方式等独具一格的优势，成为目前国际上使用广泛的显示系统，被应用于金融 证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的辐效益和丰厚的经济 效益。它色彩丰富，显示方式变化多样( 图形、文字、三维、二维动画、电视 画面等1 、亮度高、寿命长、是信息传播设施划时代的产品l l j 发光二极管器件诞生至今已有二十余年，但由于原材料的采用和工艺上的 限制，在前十余年问并未被广泛接受进入九十年代后，伴随着工艺的改良以 及原材料的发展，l e d 器件在寿命和高度指标上都得到了突飞猛进的发展， - - 2 一 第1 章绪论 成本也大大降低，由此其应用的范围和领域日益广泛。在我国及其他先进国家， l e d 也正广泛地用作户内、外显示屏的发光器件。l e d 器件突出的优点在于 各方面指标均很高，可以说在众多的光器件中它的性能价格比最佳。我们认为 l e d 器件构成的显示屏应该是我们目前信息发布系统的最佳选择。 用于制造显示屏的发光二极管产品有单管、矩阵块、象素管三种规格，以 满足不同使用场合的要求。l e d 显示屏按其使用环境分为室内显示屏和室外显 示屏室外屏通常采用高亮度0 3 7 、0 5 、m l o ( m 后面的数字表示发光点的直 径，单位是m m ) 矩阵块结构，矩阵块上发光的二极管排列成5 x 8 或8 x 8 矩 阵结构。 和很多应用术语一样，l e d 图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，一 般把显示图形和或文字的l e d 显示屏称为图文屏。这里所说的图形，是指由 单一亮度线条组成的任意图形，以便于不同亮度( 灰度) 点阵组成的图像相区 别。图文显示屏的主要特征是只控制l e d 点阵中各发光器件的通断( 发光或熄 灭) ，而不控制l e d 的发光强弱。l e d 图文显示屏的外观可以做成条形，叫做 条形图文显示屏( 简称条屏) ，也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示 屏。其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏，在显示与控制的原理 上并无区别。 不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位 置相对应的l e d 器件发光通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形， 在按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显 示屏来说，每个l e d 发光器件占据数据中的l 位( 1 b i t ) ，在需要该l e d 器件 发光的数据中相应的位填l ，否则填0 。当然，根据控制电路的安排，相反的定 义同样时可行的。这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填 写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。显示图形的数据文件，其格式相 对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。文字的点阵格式比较规范，可以 采用现行计算机通用的字库字模。组成一个字的点阵，其大小也可以有1 6 x 1 6 、 2 4 x 2 4 、3 2 x 3 2 、4 8 x 4 8 等不同规格。 用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变 化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵 式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。 图文显示屏的颜色，有单色、双色、和多色几种。最常用的是单色图文屏。 单色屏多使用红色或橘红色或橙色l e d 点阵单元。双色图文屏和多色图文屏， 在l e d 点阵的每一个“点”上布置有两个或多个不同颜色的l e d 发光器件。换 句话说，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。显示的时候，各颜色的显示点 阵是分开控制的。事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显 北京工业大学工学硕e 学位论文 示点阵，即可实现预期效果。每一种颜色的控制方法和单色的完全相同，因此 掌握了单色图文显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。 为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是 静态显示这里所说的“静态显示模式”不同于静态驱动方式。与静态显示模 式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够动的。按照图 文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。产生不同 显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法 从原来的显示数据直接生成。例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上 下平移：而顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的；同时调 整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。其它模式的数据刷新，也可找到相 应的算法。不过当算法太复杂，太浪费时间的话，也可以考虑预先生成刷新数 据，存储备用。刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢， 动感不显著；刷新太快了，中间过程看不清般刷新周期可控制在几十毫秒 范围之内【2 j 。 显示屏是多功能的，不仅可显示计算机终端上的文字、图形、二维、三维 动画，也可以显示来自录像机，电视机，摄像机等各种视频源的视频图像及网 络传输输来的数据。是户外广告宣传、视频播放的理想产品。 1 2 2 研究领域研究进展方向 l e d 显示屏是2 0 世纪9 0 年代出现的新型平板显示器件，由于其亮度高、 画面清晰，色彩鲜艳，使它在公众多媒体显示领域一枝独秀，因此市场空间巨 大。l e d 显示屏市场随技术发展而攀升。 我国在l e d 领域的研究开发工作成绩斐然。l e d 显示屏的发展可分为以 下几个阶段： 第一阶段为1 9 9 0 年到1 9 9 5 年，主要是单色和1 6 级双色图文屏。用于显示 文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公 共信息显示工具。 第二阶段是1 9 9 5 年到1 9 9 9 年，出现了6 4 级、2 5 6 级灰度的双基色视频屏。 视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将l e d 显示屏提升到了 一个新的台阶。l e d 显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业 开发出来并得以应用。 第三阶段从1 9 9 9 年开始，红、纯绿、纯蓝l e d 管大量涌入我国，同时国 内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色l e d 生产的全彩色显示 屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内 的大屏幕带入全彩时代。 - 4 - 第1 章绪论 随着l e d 原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2 0 0 1 年面世，主要用 在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点 间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3 亿元，表面贴装全彩色l e d 显示屏应用市场进入新世纪。为了适应2 0 0 8 年奥 运会的“瘦身”计划，有关单位开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆 和比赛计时计分系统。在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采 用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为 演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。 就市场而言，中国加入w t o 、北京申奥成功等，成为l e d 显示屏产业发 展的新契机。国内l e d 显示屏市场保持持续增k ，目前在国内市场上，国产 l e d 显示屏的市场占有率近9 5 。国际上l e d 显示屏的市场容量预计以每年 3 0 的速度在增长。总之其应用前景很是广泛。 1 3 课题提出背景及意义 随着时光的飞逝，我们进入到信息爆炸的时代，发生在学校和同学们之问 的大量信息如何快捷、便利的通知到每一位人? 如果在引人注意的地方放置一 个大型的点阵显示屏，信息员在中控室的电脑上敲出的信息很快的显示在点阵 显示屏，这就是我校要研制的综合网络信息服务系统的一部分，大型l e d 显示 屏控制部分，由软硬件共同构成。这也是我这个课题的来源。 该信息发布子系统以集中信息、发布信息为主体，目的是实现信息共享及时 交流，同时也能体现我校自主研发、自主设计的科研能力。 系统提安全管理支持，针对不同用户，可以设置用户密码，确保系统安全可 靠运行和数据的严格管理。 该系统作为信息化系统的一部分，该系统主要的功能是辅助办公，及时发布 信息，它是将学校发生的重要事件电子化，并且能够快速的传播发布出去，方便 学生、老师及行政人员信息共享，达到广而告之的目的 本选题的应用价值在于：该系统设计研发能够提升教师的综合能力，从原 理设计到电路板的设计、焊接，及配套软件的开发调试。全方位拓展教师的各 项能力，从而提升教学水平和科研水平。同时该系统可以快速及时地发布各种 信息，达到资源共享的目的。实旌学校工作信息化建设的目的是实现学校各项 工作的数字化、智能化、标准化和网络化，提高学校教师工作效率。 该课题就是要根据现有的较为成熟技术手段，建设一套基于网络的能够适 应当前学校管理目标的现代化学校信息发布系统。该系统要求能够满足师生信 息发布求并对当前存在的其它系统能够兼容，同时做到学校一体化管理，满足 北京工业大学 ：学硕士学位论文 系统内无纸化办公、进行网上信息发布等现代化管理的要求，提高工作效率， 达到手段统一、信息共享的目的，实现了信息互联互通。 该系统的建立，将极大的促进我校信息化建设，提高办公自动化程度，提 供高效、优质的管理手段、方式，提高和完善学校管理手段。 1 4l e d 大屏幕的设计方法 l e d 显示屏一般分为三个部分：计算机控制、单片机驱动和l e d 显示屏 的硬件电路。所以，完整的l e d 大屏幕设计应该包括硬件、硬件驱动程序和微 机控制软件三个部分使用方法是通过计算机软件编辑显示的内容，并保存为 一定格式的数据，同过通讯串口发送给l e d 显示屏的控制芯片，控制芯片一般 为单片机，单片机再驱动硬件进行显示。对显示固定信息的小型l e d 显示屏， 如公交车的条形显示屏，可以不要计算机的控制软件，通过向单片机中固化程 序即可实现。 目前在l e d 显示屏硬件设计上，根据驱动方法、显示方式可以分为静态 显示和动态显示两种。静态显示是指将一幅画面输入以后要保持到下一幅画面 的输入；动态显示是指将画面分为若干部分分别进行刷新。对于静态显示方式， 需要较多的译码驱动装置，需要较多的引线，但是只要设计合理，显示效果比 较好对于动态显示方式，可以采用较少的译码驱动装置和引线，但是容易造 成显示亮度低、屏幕闪烁等问题。对于双色的l e d 显示屏，硬件驱动上采用 静态显示方式效果比较好。 数据从r a m 到显示模块对应移位锁存器的数据传输方式，可以分成为并 行传输和串行传输两种数据并行的传送速度比较快，但是随着屏幕的增大， 模块数量的增多，线路会越来越复杂；数据串行的传送速度比较慢，但是它可 以大大简化传输线路。对于大屏幕而言，采用数据串行的传送比较好 3 1 目前国内的异步通讯屏多采用m s c 5 1 或其它的8 位、1 6 位单片机控制， 单片机主要负责接收上位计算机传来的数据，然后将根据显示方式转换成显示 图形，在发送到l e d 显示屏各个显示模块对应得数据锁存器，最后发送显示 信号更新屏幕显示内容。所以固化在单片机里的硬件驱动程序一般分为三个部 分：串行数据接收模块、数据显示模块和图像显示方式转化模块。驱动程序处 理不当容易造成屏幕显示刷新速度跟不上，表现出亮度低、屏幕闪烁的等缺陷。 数据从p c 机到单片机的传送过程也可以分为两种：并行传输和串行传输 在并行传输方式下，数据在多根数据线上一起传输，速度比较快，然而在串行 传输中，数据只能在一根数据线上一位一位的传送，速度很慢。对于近距离的 控制可采用并行传输，但是对于远距离的控制，由于数据线和控制线都需要驱 第1 章绪论 动，并行传输会增加成本和施工难度，因此远距离控制我们一般都采用串行传 输1 4 】 在上位计算机中，控制软件将显示信息转换成点阵位图，在同过通讯口传 送给硬件驱动芯片。对于简单的文字信息，通过调用c c d o s 汉字点阵将其转 换为位图。这样处理的结果是通讯数据量比较大。 1 5l e d 大屏幕显示的编程要点 由上述内容可知，l e d 大屏幕显示一般都采用动态显示，要实现稳定显示， 需遵循动态扫描的规律，现以8 行8 0 列的点阵为基本单元，将编程要点叙述如 下： ( 1 ) 从串行1 3 输出l o 字节共8 0b “的数据到7 4 l s l 6 4 中，形成8 0 列的列 驱动信号； ( 2 ) 从p i1 3 输出相应的行扫描信号，与列信号在一起，点亮行中有关的点； ( 3 ) 延时l 2i n s 。此时间受5 0h z 闪烁频率的限制，不能太大，应保证扫 描所有8 行( 即一帧数据) 所用时间之和在2 0i l l s 以内； ( 4 ) 从串行e l 输出下一组数据，从p i1 3 输出下一行扫描信并延时l 2 m s ， 完成下一行的显示； ( 5 ) 重复上述操作，直到所有8 行全扫描显示一次，即完成一帧数据的显 示； ( 6 ) 重新扫描显示的第一行，开始下一帧数据的扫描显示工作，如此不断 地循环，即可完成相应的画面显示； ( 7 ) 要更新画面时，只须将新画面的点阵数据输入到显示缓冲区中即可； ( 8 ) 通过控制画面的显示，可以形成多种显示方式，如左平移、右平移、 开幕式、合幕式、上移、下移及动画等。 1 6 本文工作 本文主要进行了l e d 显示屏和技术的信息发布方式在高校教学管理中的 应用研究。进行了l e d 大屏幕技术在教学管理中的应用开发研究。根据教学 管理信息发布的需要，选用双色l e d 大屏幕技术进行公众信息发布。在硬件 设计上，采用单片机来解决通信稳定性和刷新速度的问题。在控制软件中，采 用了w i n d o w s 多线程方法解决由于通信速度慢对软件其它部分或其他应用软 件的影响；实现了由主控室来控制信息发布，开发了适合高校信息播放的软件。 控制软件可以控制文本、表格、图像等信息的发布。 - 7 - 北京工业大学工学硕士学位论文 1 7 章节小节 本章主要介绍了国内外信息发布的发展近况，并就l e d 显示屏进行具体介 绍，从而提出了本课题的背景和意义，并对本文的工作进行概述。 - 8 - 第2 章l e d 显示屏的硬件设计 第2 章l e d 显示屏的硬件设计 作者将在这一章中详细介绍点阵显示屏的一些基础原理，硬件结构、数据 传送的一些规则。l e d 显示屏硬件控制系统在设计主控制系统时采用单片机控 制，单片机主要负责与上位机进行通讯、接收和存储显示数据、驱动l e d 显 示点阵和控制信号等。硬件控制模块按照功能，主要可以分为串行通讯接口电 路、行地址译码电路、列信号处理电路、储存器扩展电路、单片机基本系统等。 2 1l e d 大屏幕的基础知识 l e d 大屏幕显示器不仅能显示文字，还可以显示图形、图像，而且能产生 各种动画效果，是广告宣传、新闻传播的有力工具。l e d 大屏幕不仅有单色显 示，还有彩色显示，其应用越来越广，已渗透到人们的日常生活之中。 无论是单个l e d ( 发光二极管) 还是l e d 七段码显示器( 数码管) ，都不 能显示字符( 含汉字) 及更为复杂的图形信息，这主要是因为它们没有足够的 信息显示单位。l e d 点阵显示是把很多的l e d 按矩阵方式排列在一起，通过 对各l e d 发光与不发光的控制来完成各种字符或图形的显示。最常见的l e d 点阵显示模块有5 7 ( 5 列7 行) 、7 x 9 、8 8 结构，前两种主要用于显示各 种西文字符，后一种可用于大型电子显示屏的基本组建单元。 2 1 1 点阵式l e d 显示模块简介 单色8 x 8l e d 点阵的外观及引脚图如图2 1 所示，其等效电路图如图2 - 2 所示。图2 - 2 中只要各l e d 处于正偏( y 方向为1 ，x 方向为0 ) ，则对应的l e d 发光。如y 7 ( o ) = l ，x 7 ( h ) = 0 时，则其对应的右下角的l e d 会发光。各 l e d 还需接上限流电阻，实际应用时，限流电阻即可接在x 轴，也可接在y 轴【5 1 。 双色8 x 8l e d 点阵的外观与单色8 x 8l e d 点阵的外观类似，但是引脚多 了8 个引脚如图2 3 所示，其显示原理是一致的，只不过在一个点中放置两个 发光二极管，一个是发红光的发光二极管，一个是发绿光的发光二极管，若两 个发光二极管一起发光，则该点会显示为黄色 一9 一 北京工业大学工学硕士学位论文 0df3algh oo 囝o9oo 。x8 矩阵嫩面引舅 。囝o oo 25e7cb64 图2 - 18 8l e d 点阵的外观及引脚图 f i g u r e2 - 1 a p p e a r a n c ea n dp i no f 8 x 8l e dl a t t i c e x 0x lx 2x 3x 4x 5x 6x 7 i a )l qi d )旧旧i ql h ) 一降 群 算 鼻 鼻 辑 鼻 鼻 一粤 觯算 算 算 算 算 鼻 一粤 算 算 算 鼻 鼻鼻鼻 一粤 群 静 鼻 鼻 算鼻鼻 降 辑 鼻 算 算 鼻算鼻 降 群 鼻 鼻 鼻 鼻鼻鼻 降 算 鼻算鼻 鼻 算 鼻 降 辑 鼻静 算鼻 鼻 鼻 图2 - 28 x 8l e d 点阵等效电路图 f i g u r e 2 - 28 x 8 l e d l a t t i c ea r m y e q u i v a l e n t c i r c u i t d i a g r a m 数码管有共阳极和共阴极接法一说，l e d 点阵显示模块也有共阳极和共 阴极之分。l e d 点阵的正极接行引线，负极接列引线的称为共阳极l e d 点阵 显示模块，l e d 点阵的正极接列引线，负极接行引线的称为共阴极l e d 点阵 显示模块。 一1 0 一 o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o o 研”旧垤国怕卿w国协m竹伸 第2 章l e d 显示屏的硬件设计 g c o l 5 一g c o l l 一 r c o l 昏r c o l l 一 c o m 5 +c o m l + g c o l 6 一g c o l 2 一 r c o l 6 0r c o l 2 一 c o m 6 +e o m 2 + g c o l 7 一g c o l 孓 r c o l 7 -r c o l 孓 c o m 7 +c o m 3 + g e o l 8 g e o l 4 。 r e 0 l 良r c o l 4 c o m 8 +c o m 4 + 图2 - 3 双色8 x 8 l e d 点阵的引脚图 f i g u r e2 - 3 p i nd i a g r a mo f d o u b l ec o l o r s8 8l e d l a t t i c e 2 1 2l e d 大屏幕的显示方式 l e d 大屏幕显示可分为静态显示和动态扫描显示两种 静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为n x m 个像素，则 需要n x m 套驱动电路；动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是p 路复用， 则每p 个像素需一套驱动电路，n x m 个像素仅需n x m p 套驱动电路。 对动态扫描显示而言，p 越大，所需驱动电路就越少，成本也就越低，引 线也大大减少，更有利于高密度显示屏的制造。在实际使用的l e d 大屏幕显示 器中，很少采用静态驱动1 6 j 。 2 2l e d 大屏幕显示硬件结构 用于发布消息、显示汉字的点阵式l e d 显示屏通常由若干块l e d 点阵显 示模块组成；用于显示汉字、图形的8 x 8 单色l e d 显示点阵模块，每块有“ 个l e d ；而红、绿双色l e d 显示点阵模块有“个红色l e d 和6 4 个绿色l e d 。 为了减少引脚且便于封装，各种l e d 显示点阵模块都采用阵列形式排布，即在 行列线的交点处接有显示l e d 。因此，l e d 点阵显示模块的显示驱动只能采用 动态驱动方式，每次最多只能点亮一行l e d ( 共阳形式l e d 显示点阵模块) 或一列l e d ( 共阴形式l e d 显示点阵模块) 。本系统采用美国1 r i 公司生产的 t p i c 6 8 2 7 3 l e d 驱动点阵显示t p i c 6 8 2 7 3 是一种8 通道d 型触发器锁存、 功率输出新型器件，该器件集8 位数据锁存驱动输出控制为一体，可用于l e d 北京工业大学工学硕上学位论文 显示器的驱动等方面。其基本特点为： 具有8 通道功率d m o s 晶体管输出， 每个通道可连续输出1 5 0 ma 的电流； 各输出回路导通电阻低至5 q ； 每个输出通道典型限定能力为5 0 0 m a ； 输出端为o c 门形式，外接设备( 器 件) 驱动电源可高达5 0 v 。 t p i c 6 8 2 7 3 采用2 0 脚双列直插式d i p 封装形式，其引脚排列如图2 - 4 所示。它的 控制方式与7 4 l s ( h c ) 2 7 3 的控制方式相同。 由于t p i c 6 8 2 7 3 是以o c 门方式输出的，所 _ 。厂 t p i 8 2 7 3 v e t d 8 d 7 d r a i n s d i i a i n 7 i r a i n 6 i r a i n 5 d 6 d 5 e l k 图2 4t p i c 6 8 2 7 3 的引脚图 f i t ，u r e2 _ 4d i nd i a e r a mo f t p i c 6 8 2 7 3 以特别适宜选择共阳形式l e d 显示点阵模块做基础显示单元。图2 5 所示是一 个双色l e d 显示模块( 双色8 g 点阵) 的显示驱动原理图红、绿双色l e d 显示点阵模块在同一点阵显示窗内共同封装了红、绿各一个l e d 显示元件。因 此，每一个点均可实现红、绿、橙( 红色、绿色l e d 同时点亮时) 三色的显示。 当以占空比的方式控制显示亮度时，还可以实现灰度变化。图2 5 是双色u d 显示点阵模块的显示驱动原理图。若采用共阳形式双色l e d 显示模块，那么双 色l e d 显示点阵模块将有8 路共阳行向驱动引线以及红、绿各8 路列向灌电流 驱动引线。这样，通过对行方向各晶体管的控制便可为显示模块内的红、绿两 色l e d 提供动态驱动电流。两个t p i c 6 8 2 7 3 则分别控制红、绿色l e d 的列方 向显示。因此，对两个t p i c 6 8 2 7 3 的适当选通并锁存特定的数据，便可对每一 个红、绿双色l e d 显示模块上的显示点实现红、绿、橙或无色4 种状态的显示 控制。 单片机通过p a 口输出行显示信号。通过p b 口和部分p c 口输出行扫描 信号。每个点阵模块对应一片7 4 h c 5 9 5 移位锁存器p a 口的显示信息通过移位 脉冲s c l k ，串行输出到每一片7 4 h c 5 9 5 芯片。然后，在扫描信号( 锁存信 号) r c l k 到达时，将7 4 h c 5 9 5 芯片内的显示信息扫描到对应模块的相应的 一行l e d 。扫描信号到一次只能扫描模块上的一行l e d 所以，模块刷新一 次，需要扫描八次。l e d 点阵显示模块任何时候只有l 行l e d 发光，当扫描 到某一行时，p a 口按这一行的显示状态输出显示信号。在模块上显示一个数字 或符号，需要8 组行显示数据，所以显示程序中的显示字库每个字符要占8 个 字节的存储单元。表2 1 中，d 7 一d o 表示字母a 的点阵显示图形，b y r e 表 示该点阵图形在内存中的数据表现形式l ” 第2 章l e d 显示屏的硬件设计 图2 - 5双色l e d 显示点阵模块的驱动原理图 f i g u r e2 - 5 t h ed r i v ed i a g r a mo f d o u b l ec o l o r sl e dl a t t i c e 若有两个l e d 点阵显示模块共有1 6 列点阵，则按列扫描时，每- n 的显 示时问是总的显示时间的十六分之一动态工作电流是平均工作电流的1 6 倍 当每一个l e d 的平均工作电流为3 m a 时，动态工作电流为4 8 m a 即行驱动 电流为4 8 m a ，限流电阻取1 0 0q 。列驱动电流最大值为行驱动电流的8 倍 即3 8 4 m a 。按列扫描时，列驱动电流比行驱动电流大 表2 - 1 字母“a ”的点阵数据表 t a b l e 2 1d a t a s h e e t o f l e t t e r “a ” 数ig ( 左边数据按位计) 序号d ddd d d d l db y t 7654 32 0 e l 0ool000ol o h 20olllo0 o3 8 h 3ool0looo2 8 h 40lo0 ol0o4 4 h 5oilill0o7 c h 6ol0 ooloo4 4 h 7100o00lo8 2 h 8l0 oo00lo8 2 h 当需要显示的l e d 点阵显示模块位数较多时，如果系统有8 行，3 2 列， 按列扫描的动态显示方式较难提供足够的亮度，这时可以采用按行扫描的动态 显示方式。由于只有8 行，所以每一位l e d 显示的时间都是总的显示时间的 八分之一，比采用列扫描的动态显示方式有较大的增加，而且不随显示位数的 北京工业大学工学硕。t 学位论文 增加而改变。按行扫描时，动态显示方式的行驱动电流大，而列驱动电流较小 最大驱动电流由下式计算： 列驱动电流= 行数x 平均工作电流 行驱动电流= 列驱动电流列数 由上式可以得出行驱动电流大于列驱动电流的倍数等于显示点阵的列数。 l e d 大屏幕由众多l e d 模块排列而成，因此点阵的列数较多一般采用按行 扫描的方式来点亮l e d 显示屏【8 j 2 3l e d 显示屏的硬件原理 屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路。系统显示点阵采用8 8 单色显示单元，按照每行2 0 个字，共计1 6 行的方式来组织的3 2 0 2 5 6l e d 象素的显示屏，因此能够显示3 2 0 个1 6 1 6 点阵汉字。控制电路采用动态扫 描驱动方式驱动l e d 器件，每两行一个控制器，控制完成整个显示电路的行 列驱动。l e d 显示屏的系统硬件结构框图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 系统硬件结构框图 f i g u r e2 - 6d i a g r a mo f s y s t e mh a r d w a r ef i a m e l e d 大屏幕是由众多点阵模块捧列而成。本系统由于横向点阵的列数较 多，若采用列扫描方式来刷新点阵，有两点不足：一是点阵亮度受影响，二是 整个屏幕的刷新频率随着列数的增加而降低。为了避免列扫描的不足，可以采 用行扫描方式。这种扫描方式从每行模块的第一行l e d 顺次到该行模块的最 第2 章l e d 显示屏的硬件设计 后一行l e d 依次点亮模块的每一行。对于由8xs 的模块构成的点阵来说，只 要8 次即可将每个模块刷新一次，也就是将屏幕刷新一次。l e d 显示屏作为 一个单独的显示硬件，它能够将外来数据转换成图像显示出来这个过程由硬 件驱动程序来控制和实现。 显示过程是这样的：首先控制显示的单片机接收l e d 屏主控微机传来的 数据( 按照通信协议组织的数据) ；接着，主控程序将数据转换成屏幕显示的图 形，存储到显存：再按照扫描顺序与屏幕对应关系，将显存内容转换成扫描内 容；再将数据输出到控制单个l e d 模块的数据锁存器；最后扫描锁存器中的 数据，刷新屏幕。 2 4 串口通信技术简介 在现有的单色l e d 大屏幕中，与微机的接口由两种实现方法。一是由专 门的芯片来实现，优点是通信比较稳定，转换速度比较快，不足是价格比较贵 二是由串口通信来实现，优点是价格便宜，但通信稳定性和屏幕刷新速度都要 受影响。本文中，l e d 大屏幕与微机的接口由串1 3 通信来实现。 工业控制领域经常涉及到串行通信问题为了实现微机和单片机之间的数 据交换，人们用各种不同方法实现串行通信，如d o s 下采用汇编语言或c 语 言，但在w i n d o w s 环境下却存在一些困难和不足。在w i n d o w s 操作系统己经 占据统治地位的情况下( 何况有些系统根本不支持d o s 如w i n d o w s 2 0 0 0 ) 开发 w i n d o w s 环境下串行通信技术就显得日益重要。在微机通信中，速度较快的有 并行通信口( l p t 口) ，较新的有u s b 通信口。串行通信1 3 以其价格极其低廉、 可靠程度其高的优势，在通信数据较简单、通信速度要求不高的情况下，还应 用得比较广泛。串行通信只需一根数据线传送数据，而且在加入m o d e m 后， 还可以通过电话网实现远程通信1 9 1 。 2 4 1 硬件设施 一般微机有两个串行通信口，可以进行扩展，可以扩充到1 6 个之多。这 种扩展卡目前市面上还比较多。最常用的是r s 一2 3 2 c 、r s - 4 8 5 等接口在工程 应用中，多台计算机之间的数据通信基本上都是采用串行通信的方法，串行通 信可以分为同步和异步两种，同步通信是指通信双方在给定的传送速率下，将 数据以块的形式传送，发送端要在串行数据中加入同步信号，接收端要分离出 同步信号，因此发送和接收器构造复杂，成本高；异步通信是指在约定波特率 下传送和发送，不需要严格同步，实际上靠检出起始位同步一次，数据以字符 为单位传送。在数据传送之前要送一个“开始”位，在数据传送完一组数据之 后再送一个“停止”位。一次异步传送是以字符位基础的。这就是所谓的通信 北京工业大学工学硕士学位论文 参数设置1 1 0 1 2 4 2 通信协议 制作或选定好通信硬件之后，接下来要考虑通信软件的编制。对于通信程 序来说，最重要的是确定简单合理的通信协议。通信协议的作用在于保障通信 的正常进行、保障通信数据的正确性和通信数据转换的正确性，具体如下： 1 保证通信正常进行； 在通信过程中，如果下位机接收的数据不正确，就无法进行正确的转换和 处理。因此需要上位机再次发送数据，以确保数据的正确性和通信过程的连续 性。实现方法是下位机接收到上位机传送的数据之后，组织性相应的数据回传 给上位机，让上位机判断是否需要重新发送数据给下位机。 2 保证通信数据的正确性； 。下位机接收到上位机传送的数据之后，首先要判断接收到的数据是否正确。 判断方法比较多，主要是判断通信数据的校验和。校验和方法是将接收的数据 逐个求和，根据校验和是否正确来判断通信数据是否正确。 3 保证通信数据转换的正确性。 下位机接收到上位机的数据，并判断接收的数据正确后，通信过程结束。 接下来的工作是转换接收数据，如何识别接受信息、如何转换接收数据是由通 信协议来确定的i 。 通信数据可以包括文本、表格、图像、声音、视频以及各种自定义模块等 信息。对于通信协议来说，要确定通信数据中是否包含各种信息，如果包含， 还要给出该信息的数量、大小、显示位置、显示方式等属性内容。比如，通信 数据中包含文本信息，根据通信协议首先应该能够判断到通信数据中有文本信 息。然后能判断有几个文本信息块，每个文本信息的大小( 般以字节记) 、以什么方式显 示在屏幕的什么位置 2 4 3 串行通信的工作机理 常用的d o s 系统主要是工作在响应中断方式p c 机串行通信程序大多利 用其b i o s 块的i n t l 4 h 中断，以查询串1 3 的方式完成异步串行通信。与d o s 响应中断的工作方式不同，w i n d o w s 是一个事件驱动的，并与设备无关的多用 户操作系统。同时w i n d o w s 禁止应用程序直接和硬件交互，程序员只能通过 w i n d o w s 提供的各类驱动程序来管理硬件。在这种情况下，w m d o w s 系统充当 了应用程序与硬件之间的中介【2 1 。 w i n d o w s 系统函数包含了通信支持中断功能。w m 9 5 系统为每个通信设备 开辟了用户定义的输入输出缓冲区( 即读写缓冲区) ，数据进出通信1 3 均由系 第2 苹l e d 显示屏的硬件设计 统后台来完成。应用程序只需完成对输入输出缓冲区操作就可以了。实际过程 是每接收一个字符就产生一个低级硬件中断，w i n 9 5 系统中的串行驱动程序就 取得了控制权，并将接收到的字符放入输入数据缓冲区。然后将控制权返还正 在运行的应用程序。如果输入缓冲区数据己满，串行驱动程序用当前定义的流 控制机制通知发送方停止发送数据。队列中的数据按“先进先出”的次序处理。 w i n d o w s3x 提供了c o m m d r v 驱动程序以支持串行通信，而w i n 9 5 己 对这些串行通信的标准函数作了改进和标准化，并把对串口的支持与基本输入 输出驱动程序集成为一体。w i n 9 5 像对文件操作一样来实现对串口的操作，两 者使用相同的打开、关闭及读写函数。在w i n 9 5 系统中，串行口和串行通信驱 动程序是通过一个数据结构进行