LED彩色电子屏控制板逻辑毕业设计.doc

西安工程大学毕业设计（论文） LED彩色电子屏控制板逻辑毕业设计目 录第1章 绪 论11.1课题的研究背景及意义11.2国内外研究现状分析21.3 LED显示屏及其应用41.4 LED电子显示屏实现技术61.5国内LED产业的现状和发展前景71.6论文完成的工作10第2章 LED系统组成及结构原理112.1 LED系统组成112.2 结构原理122.3 系统设计中的几个核心问题13第3章 数传通讯卡硬件电路及逻辑设计16第4章 显示控制卡电路及逻辑设计174.1总体设计思想174.2扫描控制电路的设计原理174.3 数据处理流程184.4存储区结构划分194.5 LED电子显示屏灰度控制原理及实现204.6单片机测试程序设计264.6.1单片机选用274.6.2单片机的程序开发274.6.3“看门狗”芯片的应用31第5章 显示驱动单元的硬件电路设计335.1单元结构335.2 LED电子显示屏D/T转换的逻辑电路实现345.3驱动电路的设计355.4恒流源驱动电路的设计36结 论38参考文献39致 谢附 录LED显示屏附 录显示控制板实物图诚 信 书I第1章绪 论1.1课题的研究背景及意义在现代信息社会中，作为人机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到了迅速发展，二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。作为平板显示的主导产品之一，LED显示屏无疑会取得更大的发展而成为未来平板显示的代表性产品。2007年底，经过科技人员十余年的技术攻关，世界首创的“全彩色LED集成三合一显示屏【1】”由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功，首次提出了“集成三合一”的概念。其核心技术是拥有完全自主知识产权的“适合大规模批量化生产的LED显示屏亮度、色度逐点一致化校正技术”。这项成果取代了此前业界公认为高端的“表贴三合一”产品，改变了国际上以往的LED显示屏设计思路，使世界最新一代LED显示屏的显示效果和可靠性有了重大突破，也使中国企业第一次占领了世界LED显示屏制造行业的制高点这必将积极推动平板显示技术的巨大发展、进一步拓展LED显示屏的应用领域，同时也对LED显示屏控制系统的研发提出了更高的要求。LED(1ightemittingdiode)显示屏是从二十世纪八十年代后期开始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组成大面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、高性价比等特点，在短短的十几年中迅速成长为FPD(flatpaneldisplay，平板显示器)领域的主流产品。与此同时，LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。目前LED显示屏己经得到了广泛的应用，并且在露天体育场、音乐会、大型商场等应用领域市场增长显著，年增长率达到25%一30%【2】。2008年北京奥运会比赛场馆、中央电视台2008年春节联欢晚会演播厅等都大量使用LED大屏幕;2007年3月在德国汉诺威Cebit2007展会上，意大利厂商介VISION展出了一款520cm(205英寸)的LED电视Luxio205【3】，从而摘得世界最大平板电视的称号。在许多新的领域，LED显示屏也逐渐展现出其优越性，主要包括:证券交易及金融信息显示;机场航班动态信息显示;港口车站旅客引导信息显示;道路交通信息显示;调度指挥中心信息显示;邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示;军队指挥信息显示;在作为广告媒体新产品方面，也呈现出快速增长的态势除单一大型户内、户外显示屏广告媒体外，出现了集群LED显示屏广告系统、列车LED显示屏广告发布系统、电梯显示屏等;在旅游信息发布、导向标、风向标、简介屏等方面也展现出良好的发展前景。近年来LED产业呈快速发展趋势，2005年中国LED的产量达到262.1亿只，产值 114.9亿元【4】;2006年我国LED产值达140亿元【5】，2007年应用产品产值已超过300亿元【6】，2008年应用规模将达到540亿元，到2010年国内LED产业的规模将突破千亿元大关【7】。正是由于LED显示屏在FPD领域广阔的应用前景及其在我国电子信息产业中的重要地位，因此在总结现有理论和技术的基础上对LED显示屏系统进行深入细致的研究，具有重要的现实意义。同时，由于LED显示屏系统是涉及电源技术、控制技术、显示技术、存储技术、系统软件技术、接口及驱动技术等多项高新技术的复杂系统，所以进一步提高其信息处理和信息表示的质量、优化其控制实现方案，具有较高的工程技术实用价值。1.2国内外研究现状分析国外对LED显示屏的研究起步较早，目前主要集中于LED的色彩、亮度、材料及生产工艺等方面的研究。日本的Toshiba、Sharp、美国的Cree、德国的Aixtron等公司在此方面都有深入的研究。国内LED显示屏产品的技术水平可与国外同类产品抗衡，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所“全彩色LED集成三合一显示屏”的研制成功更是使中国第一次站在了世界LED显示屏制造技术的最前沿。在LED显示屏控制技术方面，国内的研究成果也处于领先水平:16级灰度和256色双基色LED显示屏和64级灰度三基色全彩LED显示屏等标志性产品均是国内厂家独立开发研制并推向市场。在LED显示屏产品中，中国率先独创了非线性调灰控制等技术，国内诸多重大LED显示系统的国际招标项目均由中国企业中标承制。在LED显示屏的可靠性及工作性能评定方面，中科院长春物理研究所进行了较深入的研究:利用元器件记数法对LED显示屏的可靠性进行预计;用重要度分配法对双基色LED图文显示屏的可靠性指标进行分配;利用模糊综合评价方法，从模糊失效准则出发对LED显示屏的工作性能进行模糊评价。无锡东大先行微电子有限公司、南京洛普股份有限公司、上海交通大学光纤技术研究所、北京化工大学自动化系等单位通过集成化、模块一体化、结构化等方式来提高LED显示屏的可靠性和工作性能。此外，还研究了Y反校正电路、非线性校正软件、彩色LED显示屏的Y校正方法等，以提高LED显示屏的图像质量。由于LED显示屏在一定程度上存在刷新速度不足和传输数据量大等问题，国内对数据重构与存储技术、数据压缩技术以及隔列传输等方面进行了研究。襄樊学院与华中理工大学提出了特殊的位平面存储技术和扫描技术，可达到稳定的高速动画显示效果;中科院长春物理研究所对四色的文字动画屏采用游程编码十霍夫曼编码的MK编码对数据进行压缩，可以达到实时传输;对于图像屏采用隔列传输的方法缓解了通讯压力，提高了长线传输的可靠性。华中理工大学根据脚本理论的基本思想，研究了LED图文显示自动生成系统的数据模型，以路径数据来描述显示事件序列，并规定显示过程对元数据操作的条件，同时称路径数据为显示脚本，该脚本可以由系统操作员利用显示脚本编辑工具离线或在线修改、编辑并生成新的显示脚本，经语法检查后，以文本文件的形式保存到存储介质上，通过调用显示脚本文件完成显示任务。在LED显示屏中，控制系统是进行控制管理的核心，其技术水平、性能指标的高低直接影响到LED显示屏运行的稳定性及显示画质的效果，是LED显示屏系统中技术含量最高、研制难度最大的部分。现有的实施方案主要包括以下三类降【8-11】:一是基于单片机的控制方案。其中一种是以一片单片机为主控器件来控制和协调LED显示屏整个显示系统的显示;另一种是多片单片机构成的多处理器主从系统，它以一片作为主CPU，其它作为从CPU，由主从处理器配合共同完成显示屏的控制。二是基于 CPLD/FPGA的控制方案。这种方案主要针对视频图像信号频率高、数据量大、实时性更强的特点，考虑到LED显示屏电路的数字逻辑相当复杂，采用 CPLD/FPGA设计控制电路可以简化系统结构，便于调试。其主要思想是利用 CPLD/FPGA器件对系统中的同步控制、主从控制、读写控制和灰度调制等大量电路进行了集成，使图像数据处理更为快速，图像更加稳定，并进一步提高可靠性。三是基于嵌入式系统的控制方案。这种方案利用嵌入式系统指令执行速度快、支持大容量的存储空间、具有宽范围的存储器接口等特点，特别是可以利用其操作系统更为有效地管理系统资源的分配，通过其高效的调度算法以多任务方式实现整个应用程序的设计。系统运行速度和可靠性有较大提高。上述控制方案各具特色，都具有与之相应的应用价值和适用场合，因此在进行控制系统的设计时，应当在深入理解系统工作原理的基础上认真分析实际需求，恰当选择核心控制器件并在合理组织数据的前提下设计相应的算法，以提高性能和性价比。1.3 LED显示屏及其应用发光二极管(LED)是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件12，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能指标上得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，LED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LED显示屏。LED显示屏(LED Panel)是通过一定的控制方式，用于显示文字、图形、图象、动画、行情、视频、录像信号等各种信息，是由LED器件阵列组成的显示屏幕。随着计算机技术的发展和普及，半导体技术的飞速发展，把计算机技术和先进的半导体技术连接起来，使LED大屏幕显示系统成为集计算机控制技术、视频技术、光电子技术、微电子技术、通信技术、计算机图形学、数字图象处理技术为一体的显示设备。它己成为既可以播放来自于计算机的动态视频信息，也可以播放来自存储设备的静态图象的综合的多功能的大型显示备。LED显示屏在八十年代后期在全球迅速发展，成为新型信息显示媒体，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，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十几年中，迅速成长为平板显示的主流产品之一，在信息显示领域得到了广泛的应用。伴随着科学技术的发展，当今半导体发光二极管的性能达到了新水平，其光电转换效率达到10cd/s ，以上，尤其蓝色超高亮度LED器件的光谱覆盖了自然光的范围13。因此，利用LED器件制造大型平板显示屏系统成为LED器件应用领域，进而推动了大型显示屏系统的发展并形成一种产业，用LED器件组成显示屏的最大特点在于其不受面积的限制，可以达到几十甚至几百平方米以上，应用于室内外的各种公共场合显示文字、图形、动画、视频图象等各种信息，成百上千人同时驻足观看，具有较强的气氛渲染作用，美化、丰富了人们的生活环境。LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括:(1) 证券交易、金融信息显示。这一领域的LED显示屏占到了前几年国内LED显 示屏需求的50%以上，目前仍为LED显示屏的主要需求行业。(2) 机场航班动态信息显示。民航机场建设对信息显示的要求非常明确，LED显示屏是航班信息显示系统FIDS(FlightIn fo rmation Display System)的首选产品。(3) 港口 、车站旅客引导信息显示。以LED显示屏为主体的信息系统和广播系统、列车到发揭示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统。(4) 体育场馆信息显示。LED显示屏己取代了传统了灯泡及CRT显示屏 ，目前许 多国内大型体育场馆相继采用了LED显示屏作为信息显示的主要手段。(5) 道路交通信息显示。智能交通系统(ITS)的兴起，在城市交通、高速公路等领域LED显示屏作为可变情报板、限速标志等，替代国外同类产品得到广泛采用。(6) 调度指挥中心信息显示。电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等。也在逐 步采用高密度的LED显示屏。(7) 邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。遍布全国的服务领域均有国产LED显示屏在信息显示方面发挥作用。(8) 广告媒体新产品。除单一大型户内、户外显示屏做为广告媒体外，国内一些城 市出现了集群LED显示屏广告系统;列车LED显示屏广告发布系统也已在全国数十列旅客列车上得到采用并正在推广。(9)舞台背景应用：大屏幕LED显示屏已越来越被编导们看好并运用，大场景大画面配合歌舞主体以达到渲染效果。1.4 LED电子显示屏实现技术LED电子显示屏最基本的显示部件为LED管芯12，根据人类视觉原理，可见的自然光是由红、绿、蓝三基色组成的。这三种基色具有严格的波长。三基色的不同配比可组合成自然界各种各样的光。如白光配比的红、绿、蓝约为3：6：l。由红、绿、蓝三基色LED管芯按光强进行配比可组成像素点。整个LED电子显示屏就是由多个这样的像素点组成。全彩高分辨率LED电子显示屏是指分辨率在4096像素点平方米以上的全彩屏。其视频显示控制技术是大屏幕制造过程中的核心技术。目前国内外的LED电子显示屏正朝着全彩、高分辨率方向发展，由此也要求更为先进的视频显示控制技术取代以往的技术。而促进这种技术发展的主要因素是：第一，高速、大规模FPGA具有ISP技术的芯片的问世。第二，直流驱动。值流源方式 LED显示驱动芯片。对于FPGA芯片而言， ALTERA和 LATTICE公司已经生产出了高性能的大规模及超大规模在线编程器件，美国TI公司也推出了高性能的LED显示驱动芯片。这样，全彩高分辨率LED电子显示屏显示控制技术的开发与应用已完全成为可能。全彩高分辨率LED电子显示屏的问世也指日可待。在早期的LED电子显示屏显示控制电路中，大量采用的是常规数字电路系统设计，用数字电路组合出复杂控制逻辑。在常规数字电路系统设计中，当电路设计完成后，须先制作电路板，然后安装元件，调试。如果电路板的逻辑功能不符合要求，就必须重新设计制作，再重新调试，直到实现逻辑功能为止。很显然，这种设计方法的设计周期长，成本高，且成品可靠性差，维修麻烦。利用普通可编程的逻辑器件，虽可减少印刷电路板的设计与制做，但在修改该逻辑时仍旧不能避免器件的反复插拔。在系统可编程技术（InSystemwProgrammble，缩写ISP）13-14，是指在用户自己设计的目标系统中或电路板上为重构逻辑器件编程或反复改写的能力。常规PLD在使用中通常是先编程后装配，而采用ISP技术的PLD则是先装配后编程，成为产品之后还可以反复编程。在系统可编程技术的出现，从实践上实现了逻辑设计师们多年来梦寐以求的“硬件设计与修改软件化”的愿望，使得数字系统面貌焕然一新。采用ISP技术后，硬件设计变得像软件一样易于修改，硬件的功能可以随时加以修改或按预定的程序改变组态。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统调试周期，而且根除了对器件单独编程的环节，省却了器件编程设备，简化了目标设备的现场维护和升级工作。ISP技术还有一个特点是采用系统设计软件进行逻辑输入时，输入与所选器件无关。因此，在输入之前可选择任何一种器件，甚至可以选择一种“虚拟器件”(Virtual Device).在输入完后，再根据仿真和适配的结果选择器件。这种器件的出现，改变了传统的数字系统设计方法采用可编程逻辑器件对器件进行设计，通过设计芯片来实现逻辑功能，这种方法称为基于芯片的设计方法.新的设计方法增强了设计的灵活性，提高了工作效率，减少了芯片的数量，缩小了系统的体积，减低能源的消耗，提高了系统的性能指标和可靠性，尤其是在系统可编程技术(ISP)的出现解决了可编程器件的编程问题，简化了器件的设计流程，极大地缩短了新产品的研制、开发周期、给样机的设计、电路板的调试、系统制造、升级带来了革命性的变化。1.5 国内LED产业的现状和发展前景我国LED显示屏产业起步于90年代初，并且始终保持高速的发展。根据中国光学光电子行业协会LED显示应用分会统计和测算，以及国内相关机构提供的数据，截止2008年11月加人中国光协LED显示应用分会的会员单位为204家，全国具有比较正规的专业性生产单位300400家，从事LED显示应用产品的生产企业超过1000家，从事LED显示应用产品包括销售、生产、配套服务等企业估计不少于3000家。截止2008年底行业协。会会员单位的从业人员为19356人，估计全国以LED显示屏为主导产品的显示应用行业从业人数在3万人左右。2009年产值约152亿,元人民币，2010年全国产值预计可能近百亿元。从产业布局上，我国LED显示屏产业主要集中在华东和华南地区，这两个地区的产品总体规模占到全国60以上。行业发展的特点：(1)高速发展的2008年和2009年由于中国经济的迅速发展和北京举办2008年奥运会，使LED显示屏行业获得良好的发展机遇。行业总体上较前几年有比较显著增长，2009年增幅超过40，是近年来增长幅度最大的一年。2010年的增长率预计不低于40，充分显示了中国LED显示屏行业在2008年和2009年得到高速发展。(2)显示技术不断进步，质量不断提高LED技术和计算机技术及电子技术突飞猛进，LED显示屏技术也显现飞速的发展。显示屏色彩从单、双色向全彩普及，显示内容由文字图片转化为视频实时显示，显示屏控制技术从单屏幕向网络化发展，显示外形从平面向异面发展。国内先进水平的显示屏与国际品牌水平的质量已相近，国内主流产品的大部分技术指标与国际品牌产品已接近。但是显示屏MTBF、刷新频率、亮度均匀性、外壳防护等级、安全要求、EMC，产品质量认证，尤其是产品的工艺与国际品牌产品有相当大的差距。近两年尤其是2008年北京奥运会的相关项目不但技术上有很大创新，显示屏质量也有很大提高。国内一流产品的质量已接近或超过国际品牌产品。(3)产品出口逐年增长近年来产品出口在全国LED显示屏市场销售额中所占比例逐步增加。2008年出口额占销售额不到15，2009年行业协会会员单位出口达11.5亿,，占销售额的20，2010年行业显示屏出口预计超过30亿。(4)剧烈的内部竞争和不利的外部环境LED显示屏企业的固定资产投入相列可以较小，流动资金需求量也不大，业内已基本形成配套的产业链，因此八门相对容易。行业每年有许多新成员加入。由于产品同质化、技术雷同化，大多数中小企业无核心竞争能力， 业内最终形成价格战。2008年的国际金融危机给国内经济也带来了很大影响，广告投入减少，户外显示屏的投资热降温，另外政府有关部门对户外广告加强管理，使2008年下半年的户外显示屏销售有所下降， 因此2008年第四季度和2009年行业产值尤其是户外全彩屏将有相当幅度的下降。同时2008年奥运效应的消失，给2009年的显示行业的发展带来了很大的困难。但是近年来的统计数据显示企业间的马太效应已形成，2007年销售额亿元以上企业的销售额占全国的33，2008年上升至43.2，2009年上升至46.7，预计2010年将超过50，因此，剧烈的内部竞争和不利的外部环境将给企业带来挑战，显示屏行业的马太效应将更加凸显。(5) 业内已形成配套产业链早期的LED显示屏行业是一种典型的中国式自给自足的生产模式。近年来，随着行业的发展，业内逐步形成了明显的分工，早期的许多小企业就演变成LED显示屏销售、安装、维修服务等非生产性的公司。产业链的形成推动了行业的发展。首先普及了LED显示屏的推厂，只要采购相应的部件很容易就拼装成一个显示屏，培养了很多销售型企业；其次，大大降低了生产成本，由于专业生产的劳动生产率的较高，使显示屏在国内生产材料和劳动生产力上涨的情况下，其价格仍在下降；第三，显示屏质量有很大提高，由于专业生产，产品的质量比早期的作坊型生产有很大变化，尤其是专业控制系统开发商的形成，使国内小企业的控制系统水平有较大的飞跃。LED显示屏产业链的形成是市场的需要，并且会得到进一步的发展和完善。(6)LED显示屏标准和知识产显示屏行业目前的行业标准有国家信息产业部颁发的LED显示屏通用规范和LED显示屏测试方法。体育场馆用显示屏规范正在审批中。另外，相关的应用领域也制定了有关的显示屏应用标准，如国家体育总局的体育场馆设备使用要求级检验方法(第1部分：LED显示屏)、铁道部的旅客引导LED信息显示标准，交通部的高速公路可变情报板标准、 高速公路可变限速标志标准，公安部的城市交通诱导情况报标准等，这些构成了我国LED显示屏的标准化体系的基本框架，对规范市场发展、促进产业提升具有重要的作用。行业内企业的知识产权保护意识也在不断提升。根据中国光学光电子行业协会LED显示应用分会2008年对127家会员单位的不完全统计，2008年行业内申请外观和实用新型专利212项、发明专利44项；取得授权的外观和买用新型专利169项、发明专利11项；申请软件著作权登记67项；取得软件著作权登记65项；申请注册商标数54个，取得授权的注册商标数29个。加速发展我国LED显示产业的建议：虽然我国LED显示屏产业发展很快，但是业内技术水平和制造工艺水平与国际上先进水平有一定的差距，主要是大多数企业缺乏有自主知识产权的核心技术和产业化规模小，高性能LED发光管(管芯)依赖进口，显示产品大部以中、低档为主。中小型企业，尤其是小企业的数量占较大比例，国内LED显示屏出口主要以价格优势为竞争力。为此提出如下建议：(1)加强与政府的沟通，争取加大政府支持力度(2)加强行业标准建设，建立评判质量的科学依据标准化工作对规范市场，提高行业产品质量水平，促进行业的整体发展具有重要的作用，为此需加强行业标准建设，完善通用规范，根据国家信息产业部“十五”期间平板显示标准建议项目书，制订相应的技术标准。(3)企业要加强与上下游的合作(4)企业要加大技术创新创新足一个企业长期生存的前提。企业尤其是较大规模的企业要加大技术创新的投八，使企业不断形成技术创新，从而产生新的经济增长点。显示屏行业虽然面临各种困难，但是机遇和挑战共存。展望未来，显示屏行业的明天会更辉煌。1.6论文完成的工作（1） 技术方案的设计（2） 硬件原理图、PCB设计（3） 制作及调试（4）软件编程及调试第2章 LED系统组成及结构原理2.1 LED系统组成根据具体的应用场合不同，LED电子显示屏的构造也不尽相同，但是基本的组成原理是相同的15-18。本系统的结构可以归纳为以下几个组成部分:播放计算机(含视频接口卡)、数传通讯卡、显示控制卡和LED显示阵列模块。系统结构框图如图2-1图2-1 系统组成框图2.2 结构原理(1) 播放计算机播放计算机一般为性能良好的微机，它有较强的数据处理能力和很高的总线传输速率。它通过视频接口卡向数据传输卡传输实时视频信号 。下面所介绍的视频接口卡插在主机的PCI插槽中。(2) 视频接口卡视频接口卡将VGA和实时视频采集功能合二为一，并完成向数传通讯卡传输播放视频时所需要的场频、行频、像素点频及各像素点信息 。(3) 数传通讯板数传通讯卡负责将电子显示屏播放视频时需要的场频、行频及象素点频几个同步信号提取出来，同时将象素点的红、绿、蓝三色信号分离出来，经过特殊的逻辑控制和时序控制，将并行数据转换为串行帧格式，通过网络传输媒介将图象数据和一些同步信号远程传送到显示控制板。视频RAM读写控制采用先进的ISP技术(FPGA芯片在线可编程技术)。要传输实时视频信号，信息量比较大，要求传输速率相应地比较高，因此数传通讯采用多通道并行RS485方式 。(4) 显示控制板对来自数传通讯卡一定格式的串行帧图象，恢复并存储在视频RAM中，并按一定的时序关系控制图象的显示，时序及逻辑控制采用在系统可编程技术。如果屏体显示的内容 比较固定，信息量较少，也可以单独利用显示控制卡实现显示信息的生成。在这种情况下，需要显示的信息被预先存储在显示控制卡上的一块EPROM中，由单片机程序读出。它主要用在显示文字信息和静态图象信息的场合。(5) LED屏显示模块该模块由驱动板和显示屏两部分构成。驱动板将接收到的来自显示控制板的数字信号转换为反映像素点的色彩 、灰度级别的信息，最终将这些信号转换为开关信息和电流强 度的大小，依次驱动LED发光二极管使屏体显示出与信息源相同或相近的图象画面。显示屏由一系列显示单元组成，每个显示单元上有nm个像素，每个像素中有红、绿、蓝三种LED管芯，每种颜色用8BIT来表示亮度的高低，共有256级，用1BYTE来表示一个像素的灰度，正常工作时根据控制信号来控制其驱动电流的变化来实现亮度的变化 。(6) 传输介质串行传输方式是利用串行接口，通过RS-485总线接收/传输数据。这也是实践中常用的一种方法19-20，它的应用场合主要用在图象及文字显示领域。本系统数传通讯板和显示控制板间的数据传输使用串行总线方式实现。控制板负责接收RS-485总线上传输的数据，并且驱动LED屏幕。2.3 系统设计中的几个核心问题LED显示屏在进行视频播放时，对刷新频率的要求较高。一般都需要刷新频率在60Hz以上。这样在视觉上才不会产生闪烁感。因此，需要保证大屏幕的刷新速度达到这样的要求。根据设计中所要求的，大屏幕系统应该能够显示整幅图象的数据信息，并且应能够满足以规定的速度刷新图象内容。以图象大小为640480个像素点计算，每个像素点红、绿、蓝三基色各占用一个字节共8位，8位数据以串行方式传输，如果要求视频画面刷新率至少达到60帧/秒，那么要求串行总线传输速度至少需要640480860=147. 46MB/S。考虑到5类双绞线(IOBASE-T)的传输速率只能达到IOMB/S，而且传输率太高的数据很难控制，所以采用的方法是将显示区分成几块，使用多块数传通讯卡分别控制一个区域，而每一块数传通讯卡上的存储区域又可分成几个子区域，通过RJ-485串行总线向显示控制卡传输信号数据。在这里，可将显示区域分成15个区域(每块32行数据)，相应地将存储区域也分为15个部分，各区域相互独立，分别对各自的存储数据进行整合与传输。这样，整个系统采用多通道并行RS485总线传输，则要求数据传输率需达到147.46 /15=9.83MB/S。这种方法极大地提高了系统工作效率，也使得能够实现更高分辨率和刷新频率。从工程技术的角度看，这种方案可行易于实现。在设计中，我们使每一块数传通讯卡负责控制128行12列的显示区域。整个显示区域由4块数传通讯卡来控制。而每块数传通讯卡上的存储区域又被分成4个子区域(每块32行)，每个子区域对应着一块显示控制卡。数据通过一条RS485总线传送到相应的显示控制卡。这样数据传输率=32512860=7.86MB/S，完全符合数据传输率的要求。在视频采集单元中，不仅要考虑到高频信息处理的噪音、畸变问题，还要考虑VGA信号的采样精度及各种同步信号的同步性能。这方面国内北京银河电脑公司的JMC-LED视频卡质量上佳。在PC机上使用该卡可以实现在VGA显示器上直接动态播放外部输入的视频信号，视频格式为YUV4:2:2，数字RGB格式为8: 8: 8 ，支持PAL和NTSC制式，视频窗口可任意缩放、移动，并支持分辨率从64048。到12801024的多种VGA显示模式。视频卡提供数字RGB接口，用于将LED视频卡的视频和VGA信息输出，并同时提供标准的VGA控制时序。数字RGB口为50pin接口，提供了行同步信号、场同步信号、复合消隐信号、点同步信号及R、G、B各8位数据，用以控制大屏显示。信号引脚位置见表2-2。表2-2 LED视频卡信号定义信号名管脚号描述BLACK2复合消隐信号低电平表示消除PCLK4像素时钟（点时钟），频率与VGA模式对应SRED706 8 10 1214 16 41 42红色数据（8位）SGRE7018 20 22 2426 28 43 44绿色数据（8位）SBLU7030 32 34 3638 40 45 46蓝色数据（8位）PVSYNC49垂直同步（场同步）信号，负脉冲PHSYNC50水平同步（行同步）信号，负脉冲GDN1-39奇数 47接地脚VCC48+5V电源图2-3为数字口信号时序图。其中，T表示象素时钟(点时钟)信号周期，与VGA模式有关。T0为信号建立时间，tsu为信号保持时间。 图 2-3 LED视频卡数字口信号时序图在数传通讯和显示控制单元中，主要为逻辑和时序控制。目前在数字逻辑电路设计中比较先进的技术是ISP(In System Programming)技术。美国Lattice公司生产的ISP产品具有较大的技术优势。在驱动单元中应选用低功耗、长寿命、工作范围宽、驱动电流大的功率器件，美国TI公司生产的功率器件具有较大的产品优势。在显示单元中，三基色LED管芯为核心器件，对于高质量的LED电子显示屏必须采用高质量的LED管芯，对此应严格挑选波长及发光强度一致性好的管子。从LED管芯质量上看，日亚公司(日本)、丰田公司(日本)、光磊公司(台湾)、HP公司的产品质量上佳。从目前像素管的几种显示方式来看，可分为:扫描驱动;直流驱动:恒流源驱动。对于点阵块屏，一般采用扫描方式。而对于像素管屏，要保证所显示的图象一致性好、稳定、高亮，必须采用直流驱动加恒流源方式。第3章 数传通讯卡硬件电路及逻辑设计总体设计思想数传信号处理利用为平面寻址法实现图像再现原理时序及控制逻辑设计存储器组织方式帧存的设计起始点同步信号确定数据的重构与存储地址发声器设计调色第4章 显示控制卡电路及逻辑设计4.1总体设计思想整个LED显示屏显示控制电路结构框图4-1所示其中数据重构电路完成RGB数据的转换，将相同像素的各位组合在一起，然后存放在相邻的单元中，从而以位的形式完成整个数据的从新组合。图 4-1 显示控制电路原理图4.2扫描控制电路的设计原理由于LED大屏显示是连续高速进行的，尤其在视频方式时，不但要求实时完成图象的高速扫描，还要接收新的数据，以便更新屏幕。这就必须要有高速数据缓存处理电路，以防止在扫描过程中丢失数据21。所以采取双总线结构的存储电路用于LED大屏幕显示的扫描控制。与数传通讯卡帧存储器设计相同，在显示控制卡中，我们也采用了快页存储模式，用两组SRAM交替进行数据的读、写操作。每组SRAM包括了三块SRAM芯片，分别对像素点的红、绿、蓝信息进行读写操作。这样，就需要两套数据线和地址线分别控制两组SRAM的读写操作。图4-2中，A,B两组帧存储器分别交替工作于图象高速扫描和图象数据接收缓存两种方式。当A帧存储器用于图象的扫描显示时，B帧存储器用于图象数据接收和缓存;反之，当A帧存储器用于图象的接收和缓存时，B帧存储器用于图象的扫描显示。 图4-2 双总线结构扫描控制原理图4.3 数据处理流程数据的预处理可以采用图4.3 所示结构。以数据宽度8位为例，由数传通讯卡得到的二进制串行数据经一个“串入并出”移位寄存器作“转置”，每得到一个点频信号，便把移位寄存器输出端数据锁存，并将之存入帧存储器。在将帧存储器中的数据读出显示时，只要按一定的地址对应关系将数据读出并作并串转换后，串行地分配到各发光元即可。可以看出，这种方法的关键在于严格规定帧存储器中数据存放地址与屏幕上发光元位置的对应关系，而这取决于写入地址发生器和读出地址发生器的设计。在实际中我们很容易采用CPLD器件灵活准确地实现这些发生器。图4-3数据处理结构图4.4存储区结构划分针对 LED显示模块点阵结构的特点，扫描电路采用逐行输出数据和逐行选通显示过程，称为行扫描。每块显示控制板控制显示区域为N行M列。如果对整个显示区域统一进行扫描，则输出到驱动单元去的串行总线数据传输率将会很大，这样大的传输率是不能被支持的。为了降低数据传输率，将图象再进行分区，整个扫描区域由若干个扫描单元组成。相应地，将帧存储区分割成若干块大小相同的区域。各个区域同步地进行串行输出，数据传输率可以降低到LOMB/S以下。如果这样划分，按照灰度级256级计算，数据按时序写入帧存储器，对每个区域，读出后经过灰度控制变为红、绿、蓝三条串行数据流，以供扫描显示用。这样实现的方法是可行的。在读帧存储器的地址时，就按照每个存储区域依次读取。在本系统中采用了从分区到行到字节的读操作方式。如果将整个存储区分为8个分区，首先读第一个分区的第一行第一个字节，然后是第二个分区的第一行第一个字节，第八个分区的第一行第一个字节，第一个分区的第二行第一个字节，第二个分区的第二行第一个字节第八个分区的第二行第一个字节，照此顺序依次执行，直到读出第八个分区的第N行第M个字节。采用这种方式，可以达到降低数据传输率的目的。4.5 LED电子显示屏灰度控制原理及实现从帧存储器取得的数据为并行数据，而LED显示屏所需的是含有灰度信息的串行数据流.这就要求有灰度译码，将8位并行数据转换为256灰度信息的串行数据序列。由于A,B 两组存储器倒换使用，要求在接收一帧并行数据的时间内把译码后的8位串行数据流送往LED屏。LED电子显示屏是由许多相互独立的像素点(发光元)排列而成，由于像素点的分离性，决定了其发光的控制和驱动只能以数字方式进行。这些像素点的发光状态由控制器同步地控制，独立驱动.大屏幕的显示控制方式通常有动态扫描方式和全静态方式两种，相比较而言，动态扫描方式能节省大量驱动器件，但要求数据传输速度更快，无论用何种方式，均要求在规定时间间隔内对显示内容进行刷新。不论采用何种对于视频实时情为获得稳定的图象(尤其是活动图象)，这个时间间隔不能超过20ms(这是大屏幕显示的基本要求)。以本系统为例，屏幕刷新频率为60Hz, 因此最大时间间隔T=1/60Hz=16.7ms。视频真彩色显示意味着要对每一个像素点的亮度分别进行控制，并且要在规定的扫描的时间内同步完成。大屏幕是由数以万计的像素点组成的，这使得系统的复杂性较两值显示大屏幕而言大为增加，并对总体的数据传输速度提出了更高的要求，给每一像素点设置一个常规D/A显然不现实的，必须寻找一种能最大降低系统复杂性且性能尽可能高的解决方案22 。由视觉原理知道，对于一定强度的发光体，在其发光开始的一段时间内，人眼对其亮度的感觉是随时间而增强的，如图4.4所示。如果将一发光体重复地开通/关断，并使开关周期小于图4.4中视觉亮度曲线开始进入平坦区的时间，则人眼对像素点的平均亮度感觉可取决于它的亮/灭占空比。也就是说，只要对像素点亮/灭占空比进行调节，就能实现对亮度的控制。对LED电子显示屏而言，这意味着只要将代表像素点亮度的数字转换为像素点发光的时间(D/T转换)，即实现了亮度的D/A转换。图4-4人眼对亮度反应时间对于单个发光元，D/T转换的实现是简单的，但对大屏幕显示而言这种D/T转换必须在规定时间间隔内对全屏幕所有发光元同步地完成，并且各个D/T转换的数据是各不相同的，这意味着要为每一个发光元配备一个D/T转换器。另外，从工程技术角度上讲，这种转换必须尽可能简单、可靠，易于实现。为此，我们提出了下述全屏幕所有发光元实时同D/T转换的方法。设屏幕数据刷新的周期为TS，控制任一发光元亮度的数据为n位二进制数据的公式D = (其中bi=0或1)，To为相应于D的发光时间，则发光元亮/暗的占空比为 d= (4-1) 上式可用预置减法计数器实现，但每一发光元配一个计数器将使得显示电路异常复杂。现将式(1)改为= (4-2)这暗示我们，离时间段合成的TON。可由几个时间段组成。由于当Ts足够小时，几个分离时段合成的TON。与总长度相同的连续的TON。的视觉效果是相同的。于是，一般地有，对于n位二进制数据D =将Ts分为n段，并选取适当时间分割函数f(i)，使第i段Ti= Taf (i) (4-3)其中0 f(i) 1, i=0, 1.，n-1。在电路实现上设法使在Ti时间内发光元的亮/灭由D的第i位bi控制，从而 = (4-4)这时 d= (4-5)即为此发光元的亮/暗占空比。注意由于函数f(i)对所有发光元而言可以是共同的，因而式(4-5)表明，只要用f (i)统一控制各个发光元，就能实现全屏幕所有发光元相互独立而又同步的D/T转换。在高速动态显示时，LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间成正比。若每帧周期为T(扫描周期T),如果采用16行扫描方式，每行的总选通时间为T/16。如果将T分为256个时间段，那么每个周期内每行LED的总发光时间将依次调节为。， 1xT/(16x256),2xT/(16x256), , 255T/ (16x256)，这样就将LED的发光时间分为256个等级，也就实现了256级灰度。红 、绿 、蓝像素数据在显示RAM中按字节存放，可分别表示256级灰度。数据传输到每个数据处理模块，经过一定的数据选择电路后被分别存放在静态RAM中，然后分256场读出，读出时数据与一个256级亮度比较器进行比较。比较得到0或1(即时间分割函数f(i)再串行送到锁存驱动电路。每读出一场亮度，比较器就加1，这样一个数据分256次控制对应像素，从视觉上达到每种基色256灰度级的效果。设有一个长度为256个时间单位t的编码序列.其中t=T/( 16x256),该序列中有i个“1”和256一个“0，组成依次为1 1 1111 00 0 .0 0 (4-6)如果以这个编码序列调制LED ( 1 ”为发光， 0”为不发光)，则LED实际的发光时间为t(i) =Ti /( 16 x 256) (4-7)式(5-6)中，t(i)实际就是LED的导通脉冲宽度，而且t(i)是关于i的函数。于是该LED便具有了第i级灰度的发光亮度。式(5. 6)则代表着产生LED第i级灰度所需的一组编码序列，称为调制序列。由式(5. 6)可计算出第i级灰度对应的占空比，即 t(i)/T= i/（16256） (4-8)为简单起见，用16级灰度为例说明D/T转换的电原理图实现。图4-5和图4-6说明了在16级灰度显示模式下D/T转换的电原理图。64级或256级灰度的D/T转换的原理和结构与下图相似。图4-5导通脉冲产生逻辑图图4-6 16级灰度控制逻辑图图4-5中，GCK信号为灰度计数器脉冲，它在读地址的每个周期结束后发生一次每个场周期被分成16个时间段(可由输入晶振频率控制时间段的数目)，每个时间段GCK发生I次，使计数器加1。图4-6中，某个像素点红色数据被读出后，四位灰度数据MD0.M D 3与计数器输出G0G3比较，如果数据值大于或等于计数器输出值，则该点红色LED在这个时间段发光，输出SRD为1。反之，则不点亮。输出SRD为0。举例说明，当红色信号为1100(即MD3=1, MD2=1, MD1=0, MD=0)时，随着计数脉冲的到来，SRD相应值如表4-1。在16个GLK周期内，SRD信号在前的时间内，该像素点亮，说明红色LED灰度控制的仿真输出。图4.7是16级灰度控制的仿真输出。图4-7仿真输出表4-1SRD相应值G3G2G1G0SRD000010001100101001110100101011011010 1111100011001110101101 101100011 0101110011110图 4-6是 16级灰度级的扫描电路，它可以推广到64,256级灰度。当为64级时，需以一个六位脉冲计数器实现时间分割，7个与门作为权位的扫描电路。当为256级时，需以一个八位脉冲计数器实现时间分割，9个与门作为权位的扫描电路。图4-8所示为256级灰度控制逻辑图。图 4-8 256 级灰度控制逻辑图4.6 单片机测试程序设计在显示控制板卡的设计中，为了测试驱动板及像素管显示是否正常，能否达到设计的要求，考虑了自检单元设计。该测试单元需按照模拟数传通讯卡传输数据格式，提供仿真输入环境，并验证仿真结果，通过对模拟数据的处理，得到实验结果。通过仿真输入环境以及调试软件的使用，能够尽快地发现问题，并及时地解决问题，从而确保系统准确的运行。在系统中引入单片机测试可完成以下几项功能:1. 系统测试通过编制单片机程序，可以对大屏幕各种颜色的灰度级、直线、斜线以及图象进行测试，以证明系统硬件逻辑设计的正确性。2. 大屏幕开/关在控制板上设置大屏幕开关信号。