LED异步显示屏设计

摘 要 本课题是设计一个在无线数据通信方式下向LED显示屏的主控电路传送数据的控制器。该控制器能够完成LED显示屏所要显示的字符、汉字编辑和数据传送。设计在AT89C51单片机的控制下，利用键盘和RS232显示模块构成人机交互界面;使用AT89C51单片机实现16X16点阵汉字字模的提取:利用PTR2000无线传输模块以异步串行通信方式实现200米以内的数据传送。该控制器具有经济性、小型化、可靠性和开发周期短的特点，数据最大传输速率为19. 2KBps，具有较强的实用性。文中论述了硬件设计及部分软件编程，介绍了单片机系统中汉字的处理方式;指令系统和应用;16 X 16点阵汉字库的结构和应用。针对LED 发光二极管显示屏在工作时由于LED 的特性决定了必须要有高的刷新率和一定的导通时间才会在视觉上形成一个稳定的有足够亮度的图像问题,提出使用分布式控制方式及对I/ O 口与存储器统一编程方式来提高显示的刷新速度,从而较好地解决上述问题。文中给出了实现上述想法的硬件系统和部分软件设计方案，分配了计算机系统中上位机与下位机的分工。 关键词：LED显示屏控制系统、无线通讯模块、AT89C51单片机、点阵The design of wireless data-transmittingcontroller for LED display screenStudent：WEI Ai Jun Teacher：Yang Xiao PingAbstractThe subject is to design a wireless data-transmitting controller for LED display screen. The some characters and Chinese characters of LED display screen being to display. The man-machine interface is designed in double-alternation keyboard and RS232 liquid crystal display module. The 16 X 16 Chinese characters dot-matrix is picked up from chip of Chinese characters library by function. The data is transmitted by PTR2000 wireless data-transmitting module in asynchronous serial communication mode within 200 meters. All are controlled by AT89C51. The controller has the advantage of economy and miniaturization and reliability and short manufacture-time. Its most data-transmitting velocity is19.2Kbps. It is highly applied. The article describes hardware design and part of software program. It also introduces the processing mode of Chinese character in the applicable system. It also introduces the characteristic and instruction system and display controller. It also introduces the structure and application of 16 16 Chinese characters library. This paper aimed at t he problem t hat a stable and bright enough picture can be produced unless t here is a high refresh - rate and a certain period of time of going to working state , which is decided by t he properties of light - emit ting diode when t he display -screen of LED is working , present s t he idea to use DCS and I/ O part as t he memory to unify address to improve t he refresh- rate. Thus , t he above problems can be solved in a more efficient way. In this paper , a plan for designing t he hardware system and software is provided to realize t he above ideas. The paper also assigns t he work which is done separately by t he leading unit and t he led unit in a computer system. KEYWORDS: LED DISPLAY SCREEN WIRELESS DATA-TRANSMITTING -MODULE AT89C51 APPLICATION 目 次摘要 Abstract 1 引言 12 LED显示屏的功能及技术指标分析 2 2.1 LED显示屏的功能分析2 2.2 LED显示屏的技术指标23 LED显示屏控制系统组成和原理 33.1 LED显示屏控制系统的硬件组成 3 3.2 LED显示屏控制系统的工作原理 3 3.2.1 控制系统主控部分工作原理图分析 3 3.2.2 显示部分电路原理 5 3.2.2.1 8*8点阵块内部原理5 3.2.2.2 显示部分电路原理8 3.2.2.3 列信号控制8 3.2.2.4 行信号控制8 3.2.2.5 信号的总驱动9 3.3 无线数据传输系统 9 3.3.1 无线模块PTR2000性能简介 9 3.3.2 无线数据传输过程 9 3.3.3 单片机和PTR2000的通信接口电路10 3.3.4 计算机与PTR2000的通信接口电路114 汉字字模提取原理11 4.1 16 X 16点阵汉字库的结构 12 4.2 字模提取的实现125 LED大屏幕的调整13 5.1 亮度和颜色的调整13 5.2 扫描频率调整 136 PCB板的设计147 系统的调试16 7.1 PTR2000模块的调试 16 7.2 串口调试 168 结论18致谢 19参考文献 201 引言LED显示屏系统是用于信息发布的一种屏幕式电子显示设备，可显示文字和图片。具有画面直观、内容灵活多变，造价便宜等特点，被广泛应用于商场、车站、码头、机场等室内外公共场所。LED显示屏的电路由主控电路和显示电路两部分组成，主控电路负责接收数据控制端传送的数据，刷新显示RAM内容，向显示电路传送数据，控制显示电路逐行动态扫描。通常LED显示屏系统的数据控制端采用PC机完成对LED所要显示的图片、文字的编辑和数据传送。在设计通信接口时，通常采用有线电缆作为传输介质，根据PC机配置的标准串行接口，进行电平的转换。本课题选取单片机应用系统，设计一个在无线数据通信方式下向LED显示屏的主控电路传送数据的控制器。该控制器操作简单、携带方便，能够完成LED显示屏显示内容的编辑与数据传送，在一些小型而且需要不断改变显示内容的LED显示屏系统中具有较高的性价比，而且大大缩小了设备占用空间，摆脱了线缆的束缚。2 LED显示屏的功能及技术指标分析2.1 LED显示屏的功能分析显示内容：WINDOWS平台上编辑的文字资料，字体及字号由编辑软件实现。显示方式：左移或者右移。远控操作：对显示屏的任何操作均在操作室的计算机上进行。该计算机通过RS232通讯接口与显示屏联接实施远程控制。脱机显示：一旦控制计算机将显示信息送到了显示屏电路，并进行编辑后，该计算机便可脱机单独使用，而此时的显示屏就好像一个“独立系统”。2.2 LED显示屏的技术指标规格：1632点阵，可显示标准1616点阵汉字四个。计算机通信距离：200米以内。使用寿命：8000小时。功耗：单色峰值900W。每点发光亮度：单色大于5.5mcd。控制软件使用平台：WINDOWS 2000/WINDOWS XP3 LED显示屏控制系统组成和原理3.1 LED显示屏控制系统的硬件组成系统的硬件组成如下图1：图1 系统的硬件组成 如图所示该系统由无线通讯模块、模块电源电路、单片机系统电路和显示驱动电路等构成，该显示屏可以显示点阵汉字4个。硬件电路设计是该系统的核心。本系统主要的硬件设计是下位机具有4K存储空间的单片机AT89C51的显示控制部分。而上位机( PC 机) 与单片机显示控制部分的接口为标准RS232 通讯方式。74HC245和74HC595分别担当行驱动器和列驱动器。无线收发模块担当控制系统与微机之间的数据传输，它由PTR2000实现。作为无线通讯模块的PTR2000，它具有收发合一、高速率、体积小、工作频道多、低功耗和抗干扰性能强的特点。PTR2000为距离大于200米的无线通讯控制系统的收发提供了一个理想的解决方案。该模块在内部集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制解调、参量放大、频道切换等功能。它可以接到计算机串口接口上，用RTS控制无线收发模块的收/发状态转换。它的DO和DI也可以于单片机8051连接起来，利用单片机的I/O借接口可以控制模块的发射接收控制、频道转换和低功能模式。3.2 LED显示屏控制系统的工作原理3.2.1 控制系统主控部分工作原理图分析：图2 主控部分工作原理图 如图所示，该系统单片机部分主要由复位电路晶体振荡电路(20MHz)、存储器扩展电路(扩展为32KB)构成。单片机的通信方式为串行异步通信方式，接收来自计算机发送的信号，比特率为2400bit/s。系统的重置是任何微处理机系统运行的第一步，使整块控制芯片回到预先设定的硬件状态下。AT89C51的系统重置是由RESET引脚控制的。当此引脚送入高电位超过24个震荡周期时。AT89C51即进入芯片内部重置状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET为低电位后，才检测EA为高电位或是低电位，若为高电位，则实行内部的程序代码，若为低电位，则实行外部的程序代码。系统重置电路如图3：图3 复位电路单片机控制系统主要由8位单片机AT89C51作为主控CPU，并用它存放用于显示的点阵汉字字库，其存储空间为4K。为了接收来自上位机的汉字点阵采用RS232作为通讯接口。在主控系统中除了常规的存储及通讯接口外，还有一个重要功能就是信号的发送及控制。利用串口通讯方式0即8位移位寄存器方式，CPU的P22引脚作为数据线DATA，P21引脚作为同步时钟CLK，P20引脚作为移位时钟RCLK。由于在通讯方式0下串行口为1/12晶振频率的固定波特率，其通讯波特率为2M，因此每秒最多能发送200000个字节，即6000多个汉字。P00-P03引脚分别作为A、B、C和D地址信号。P04引脚作为OE信号。AT89C51 最大寻址空间为64KByte. GB2312280 标准的汉字库为256KByte. 在提取汉字字模时采用了地址分时缓冲锁存输出法. AT89C51 的地址总线提供寻址汉字库的高13 位地址, 然后通过读操作对字库芯片进行访问. 由于内码是不连续的, 不能与汉字库的地址一一对应, 必须转换。 RS-232使用-3到-25V表示数字“1”，使用3V到25V表示数字“0”，RS232在空闲时处于逻辑“1”状态，在开始传送时，首先产生一起始位，起始位为一个宽度的逻辑“0”，紧随其后为所要传送的数据，所要传送的数据有最低位开始依次送出，并以一个结束位标志该字节传送结束，结束位为一个宽度的逻辑“1”状态。PC机一般使用8250或16550作为串行通讯的控制器，使用9针或25针的接插件将串行口的信号送出。该插座的信号定义如下：DB-9 信号名称方向含义 2 3 TXD 输出 数据发送端 3 2 RXD 输入 数据接收端 4 7 RTS 输出 请求发送（计算机要求发送数据） 5 8 CTS 输入 清除发送（MODEM准备接收数据） 6 6 DSR 输入 数据设备准备就绪 7 5 SG 信号地 8 1 DCD 输入 数据载波检测 20 4 DTR 输出 数据终端准备就绪（计算机） 以上信号在通讯过程之中可能会被全部或部分使用，最简单的通讯仅需TXD及RXD及SG即可完成，其他的握手信号可以做适当处理或直接悬空。什么是握手信号呢，在这里介绍一下：RS-232通行方式允许简单连接三线：TX、RX和地线。但是对于数据传输，双方必须对数据定时采用使用相同的波特率。尽管这种方法对于大多数应用已经足够，但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。这时需要串口的握手功能。最常用的RS-232握手形式有：软件握手、硬件握手和X modem。先说说一下软件握手：通常用在实际数据是控制字符的情况，类似于GPIB使用命令字符串的方式。必须的线仍然是三根：TX，RX和地线，因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别，函数Set X Modem允许用户使能或者禁止用户使用两个控制字符XON和OXFF。这些字符在通信中由接收方发送，使发送方暂停。例如：假设发送方以高波特率发送数据。在传输中，接收方发现由于CPU忙于其他工作，输入buffer已经满了。为了暂时停止传输，接收方发送XOFF，典型的值是十进制19，即十六进制13，直到输入buffer空了。一旦接收方准备好接收，它发送XON，典型的值是十进制17，即十六进制11，继续通信。输入buffer半满时，Lab Windows发送XOFF。此外，如果XOFF传输被打断，Lab Windows会在buffer达到75%和90%时发送XOFF。显然，发送方必须遵循此守则以保证传输继续。接下来介绍硬件握手：和TX和RX线一样，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一个作为输出，另一个作为输入。第一组线是RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）。当接收方准备好接收数据，它置高RTS线表示它准备好了，如果发送方也就绪，它置高CTS，表示它即将发送数据。另一组线是DTR（Data Terminal Ready）和DSR（Data Set Ready）。这些现主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他们的状态。例如：当Modem已经准备好接收来自PC的数据，它置高DTR线，表示和电话线的连接已经建立。读取DSR线置高，PC机开始发送数据。一个简单的规则是DTR/DSR用于表示系统通信就绪，而RTS/CTS用于单个数据包的传输。一般来说，X modem方式握手不是经常用到，所以在此就不作介绍了。PC机支持1-4个串行口，即COM1-COM4，其基地址在BIOS数据区0000：0400-0000：0406中描述，对应地址分别为3F8/2F8/3E8/2E8，COM1及COM3使用PC机中断4，COM2及COM4使用中断3。3.2.2 显示部分电路原理：3.2.2.1 8*8点阵块内部原理 8*8点阵块内部原理图如图4：图4 8*8点阵块内部原理图16*16的点阵实际上是用四块8*8点阵块通过一定的连接而构成的。为说明它的原理,我们从8*8点阵块入手，图5是点阵块内部的电路连接图。从图中可以看出，8X8点阵共需要64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某一行置0电平，则相应的二极管就亮。图5是一个LED 的工作电路图。电路中Q8 是驱动电路,正端接电源,控制端接74HC138 的输出,输出端接LED 发光二极管D ,与限流电阻连接,电阻接74HC595 的数据输出端。LED 的点亮方式是:控制74HC138 的片选信号无效,为不选通,之后74HC595 输出电平,低电平为点亮信号,再选通74HC138 ,控制输出选通信号,此时,有电流I0 从Q8 输出,流过D、R1后,进入74HC595 的数据输出端。图5 LED 的工作电路图在图中,是加在LED 上的电压, 是加在限流电阻两端上的电压,通过调节限流电阻的数值,就可以改变电路的工作电流I0 ,当电阻R1 = 0时,电路依靠74HC595 的输出有源电阻作为限流电阻。在扫描电路中可以看出,电路结构比较简单,合理地调整各个部分工作参数就能够使电路工作在最佳状态。在选择电路时,还要准确掌握各个公司电路的性能,以及之间的技术参数的差别。不同型号的器件技术参数也有所区别, 表1 是74HC595 的技术参数,表中给出了Texas Inst ru2ment s ,ST , Philips 公司的74HC595 的技术参数。在表中可以看出不同的公司生产的电路略有不同,因此,一块显示屏尽量要使用同一公司的电路器件,以免由于参数的差别影响显示屏的显示效果。表1 74HC595 的技术参数Table 1 74HC595 technology parametersSN74HC595M74HC59574HC595 202020 202020353535777315052-55-125-55-125-55-125在表1 中, 为输入尖峰脉冲电流,为输出尖峰脉冲电流, 为连续输出电流, 为最高供电电压, 表示在25 时的最大工作频率(随着负载电容的不同,工作频率也不同) ,为工作温度。表中元件SN74HC595 、M74HC595 、74HC595对应公司是Texas Instrument s ,ST ,Philips。显示系统逻辑结构图如图6：图6 显示系统逻辑结构图 由于显示模块中采用的是由串变并的74HC595芯片，所以主板上的输出信号应为串行信号。点阵显示屏每个单元由16个88点阵LED显示模块、行信号选择译码器74HC138、总线驱动器74HC245、数据移位寄存器74HC595组成。以下给出了一个显示单元的显示程序，当连级多个显示单元时适当的改变行字节数即可：DISP：MOV R0， #4；每行4个字节 MOV DPL R6；取处显示缓冲区首地址 MOV DPH R7；DIS： MOVX A, DPTR;取出显示数据 CPL A;数据取反 MOV SBUF1，A；送出显示数据 JNB T11，$; CLR T11; INC DPTR;取下一数据 DJNZ R0 ，DIS； SETB CLEAR；74HC595的消隐线 SETB STB；74HC595的锁存线 ANL P1，#0FH； MOV A LINE；取行地址DIN：SWAP A； ORL P1，A；送出行驱动信号DISE：CLR STB； CLR CLEAR；3.2.2.2 显示部分电路原理如图7：图7 显示部分电路3.2.2.3 列信号控制 由于LED点阵和LED数码管相似，有共阴和共阳之分，因此我以列为共阴，行为共阳点阵为例。在实际应用中为了结构上安装和调试方便，可以将8个88点阵做在一块电路板上，组成一块3216点阵的模块。块与块串联就组成一个大屏幕。如上图，一个模块有4片74HC595芯片，8块LED点阵，每一片74HC595接限流电阻后接两块LED点阵，图中只画了部分电路。DATA IN和DATA OUT分别是数据输入和输出，RCLK是74HC595移位寄存器信号锁入输出锁存器的时钟信号，CLK为同步时钟。 将模块中前一片8位移位寄存器74HC595的数据输出（Q7）和下一片的数据输入（SER）相连接组成32位的串行无数链，每一位控制一列发光管，若显示方式为1/16占空比的动态扫描方式，则每一列控制16个发光管。当74HC595的某一输出引脚为低电平时，该列上对应行行扫描选中的行上的像素点亮。由于吸收电流的能力相对较强，且为动态扫描，因此在74HC595的输出脚上只需串接一个的限流电阻。3.2.2.4 行信号控制 如图7，采用3-8译码器74HC138/74LS138的8个选通端来控制相应的行。3.2.2.5 信号的总驱动 为了使行列信号一块接一块地传下去，必须考虑信号的驱动问题。74HC595控制信号有5个，其中移位寄存器清零SRCLK及锁存器输出允许E可分别接到+5V和GND上（即不清零和允许输出），因此对于74HC595真正要控制的只有数据、移位时钟、同步时钟及移位寄存器寸入锁存器的控制信号。考虑到3216点阵模块连级对这三个信号应采用高速总线驱动器74HC245进行驱动，也可采用斯密特触发反相器74HC14在模块的输入和输出进行二次驱动。3.3 无线数据传输系统3.3.1 无线模块PTR2000性能简介PTR2000是目前集成度较高的无线收发产品，它集成了高频发射、接收、FSK调制/解调、参数放大、功率放大、频道切换等诸多功能。尤其是它发射功率低，灵敏度高，具备20bit/s的高传输速率，工作频率稳定可靠，而且体积小，引脚只有7个。PTR2000模块内置Nrf401芯片，数据无需曼彻斯特编码，外围元件只需10个，编程开发工作容易。图8为PTR2000模块的引脚：图8 PTR20 00模块的引脚引脚功能说明如下：pin1：VCC，正电源，2.7-5.25V；pin2：CS，频道选择，CS=0选择工作频道1，即433.92MHz；CS=1，选择工作频道2，即434.33MHz。pin3：DO，数据输出。Pin4：DI，数据输入。Pin5：GND，电源地。Pin6：PWR，节能控制。PWR=1时，正常工作状态，PWR=0时，待机微功耗状态。Pin7：TXEN，发射接收控制，TXEN=1是，模块为发送状态，TXEN=0时，模块为接收状态。3.3.2 无线数据传输过程单片机接收到传感器的信号并经过处理后，用串行通信接口将数据传输到无线数据传输模块的发射端，信号经调制后发送到计算机的接收端，计算机接收后再进行数据处理和数据记录和显示。无线数据传输过程如图8。该系统的单片机接收传感器的信号并完成数据的组织和处理，或接收计算机端发送的数据；和单片机相连的PTR2000主要将单片机的数据调制成射频信号，发送到计算机的PTR2000模块；或接收计算机端PTR2000模块发送的射频信号，并解调成单片机能识别的TTL信号。和计算机连接的PTR2000模块主要接收单片机端PTR2000发送的射频信号并解调成计算机能够识别的TTL信号或将计算机的待发数据信号调制成射频信号，发送到单片机端的PTR2000模块；计算机完成数据接收后进行数据组织、处理和显示或向PTR2000模块发送数据。此外，在计算机串口通信接口与PTR2000之间还需要一块电平转换芯片；因为PTR2000支持TTL电平，此芯片完成计算机串行通信接口和PTR2000模块之间的电平转换。图8 无线数据传输过程3.3.3 单片机和PTR2000的通信接口电路单片机与PTR2000的引脚连接如图9，图9 单片机与PTR2000的引脚连接图功能说明如下：PTR2000的DO脚接89C51的RXD脚。其功能是PTR2000将接收到的数据解调后，输出到单片机中。PTR2000的DI和89C51的TXD脚相连接。其功能是单片机将发送到PTR2000并经过调制后发送到计算机端。PTR2000的TXEN脚连接89C51的P2.0脚。其功能是单片机是通过P2.0脚电平控制PTR2000的发射接收控制，TXEN=0是PTR2000为发射状态，TXEN=1是PTR2000为接收状态。PTR2000的CS引脚和GND连接，即使固定通信频道为频道1。PTR2000的PWR引脚连接到VCC上，使PTR2000固定为正常工作状态。3.3.4 计算机与PTR2000的通信接口电路 图10为计算机与PTR2000模块的地址分配和连接方案：图10 计算机与PTR2000的通信接口电路引脚连接如下：RS232的T2IN脚连接PTR2000模块的DO引脚，其功能是PTR2000将接收到的数据信号解调后，输出到RS232的输入引脚中，进行电平转换。RS232的R2OUT脚连接PTR2000模块的DI引脚。RS232的R1OUT引脚连接PTR2000模块的TXEN引脚，其功能是通过计算机串口的RTS信号控制PTR2000的发射接收状态。RS232的T2OUT引脚连接计算机的RXD串口。4 汉字字模提取原理4.1 16 X 16点阵汉字库的结构在汉字操作系统中，有一个 1616 点阵的汉字库，主要用于屏幕显示。字库中的汉字按 1616 点阵模式存储，即每个汉字相当于 1616=256 个点组成，占用 162=32 个连续的字节单元，字节的每一位 (bit) 表示一个点的属性：1 表示亮点，0 表示暗点。连续的两个字节表示该汉字字模的一行。4.2 字模提取的实现 UCDOS软件中的文件HZK16和文件ASC16分别为1616的国标汉字点阵文件和816的ASCII码点阵文件，以二进制格式存储。在文件HZK16中，按汉字区位码从小到大依次存有国标区位码表中的所有汉字，每个汉字占用32个字节，每个区为94个汉字。在文件ASC16中按ASCII码从小到大依次存有816的ASCII码点阵，每个ASCII码占用16个字节。 在PC机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的，每个汉字占用两个字节：第一个字节为区码，为了与ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H开始（小于80H的为ASCII码字符），对应区位码中区码的第一区；第二个字节为位码，范围也是从0A1H开始，对应某区中的第一个位码。这样，将汉字机内码减去0A0AH就得该汉字的区位码。例如汉字“房”的机内码为十六进制的“B7BF”，其中“B7”表示区码，“BF”表示位码。所以“房”的区位码为0B7BFH-0A0A0H=171FH。将区码和位码分别转