大屏幕LED显示屏的高速控制方案

1、百度文库-让每个人平等地提升白我LED显示屏的基本工作原理是动态扫描。显示控制的过程是先从数据存储器 读得字模数据.再通过单片机的串行口或并行口将数据写给LED点阵片，然后再行扫 描。动态扫描方案和静态显示方案相比节省驱动元件，但要求刷新频率高于50 Hz, 以避免显示的图像或文字出现闪烁。由于刷新频率的限制，一片单片机能控制显示 元件的片数是较少的。现在大屏幕LED显示屏的应用已越来越广泛。为了对成百、上千片的LED点 阵片实现有序的、快速的显示控制，人们动了许多脑筋、双CPU、双RAM的方 案,FPGA的方案等都获得了成功的应用;但是这些方案的显示控制过程还是先读后 写。本方案另开思路:用

2、一条读指令，将读和写合在一步完成,可大大地提高显示控制 的效率，且电路简单。1 LED显示屏的工作原理LED显示屏的基本工作原理是动态扫描。动态扫描又分为行扫描和列扫描两 种方式，常用的方式是行扫描。行扫描方式又分为8行扫描和16行扫描两种。在行扫描工作方式下，每一片LED点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中一 定有一片锁存器或移位寄存器.用来锁存待显示内容的字模数据。在行扫描工作方 式下,同一排LED点阵片的同名行控制引脚是并接在一条线上的，共8条线,最后连 接在一个行驱动电路上;行驱动电路中也一定有一片锁存器或移位寄存器.用来锁存 行扫描信号。LED显示屏的列驱动电路和行驱动电路一般都采

3、用单片机进行控制，常用的单 片机是MCS51系列。LED显示屏显示的内容一般按字模的形式存放在单片机的外 部数据存储器中,字模是8位二进制数。单片机对LED显示屏的控制过程是先读后写。按LED点阵片在屏幕上的排列 顺序,单片机先对第1排的第1片LED点阵片的列驱动锁存器,写入从外部数据存储 器读得的字模数据.接着对第2片、第3片直到这一排的最后一片都写完字模 数据后.单片机再对这一排的行驱动锁存器写行扫描信号,于是第1排第1行与字模 数据相关的发光二极管点亮。接着第2排第1行、第3排第1行直到最后一排 第1行的点亮。各排第1行都点亮后,延时一段时间，然后黑屏,这样就算完成了单片 机对LED显示

4、屏的一行扫描控制。单片机对LED显示屏第2行的扫描控制、第3行的扫描控制直到第8行 的扫描控制，其过程与第1行的扫描控制过程相同。对全部8行的控制过程都完成 后,LED显示屏也就完成了 1帧图像的完整显示。虽然按这种工作方式,LED显示屏是一行一行点亮的.每次都只有一行亮，但只要 保证每行每秒钟能点亮50次以上，即刷新频率高于50 Hz,那么由于人的视觉情性，所 看到的LED显示屏显示的图像还是全屏稳定的图像。2 LED显示屏的传统控制方法参考文献对LED显示屏的控制电路作了归纳和比较。其中，显示控制电路是 按行扫描方式工作的冽控制电路分为两大类。列控制电路中，一类是用74LS595之 类的芯

5、片作为列驱动电路的锁存器CPU通过串行总线给列驱动电路的锁存器写字 模数据。无论是并行总线的控制方式还是串行总线的控制方式，其工作过程都是先给数 据指针DPTR赋值.接着累加器A按数据指针DPTR的指向，从外部数据存储器 RAM中读得字模数据。然后，并行总线时.再给数据指针DPTR赋值,接着CPU将累 加器A中的字模数据.按数据指针DPTR的指向，写给LED点阵片列驱动电路的锁 存器:串行总线时,CPU将累加器A中的字模数据.通过串行口写给LED点阵片列驱 动电路的锁存器。一般显示控制中.使用较多的单片机是MCS51系列。假设单片机系统的晶振频 率是12 MHz，机器周期是1卜岛上述两种控制方

6、式完成1片LED点阵片的显示控制 都得十几卜is。本文提出的高速控制方案.完成1片LED点阵片的显示控制大约只要4卜屈按 此推算，1片MCS51系列的单片机，差不多可以对600多片LED点阵片进行显示控 制。与传统的控制方法相比,显示控制的效率成倍提高。3 LED显示屏的高速控制方案图1是高速控制方案LED显示屏电路原理。采用MCS51系列单片机对LED 显示屏进行控制:随机存储器62512用作LED显示屏的数据存储器，存储待显示内容 的字模数据:采用8行扫描方式，多片LED点阵片共用1组行驱动电路:每片LED点 阵片都有一组列驱动电路，用74LS377作为列驱动的锁存器CPU通过并行总线给列

7、 驱动电路的锁存器写字模数据:地址译码电路，用于产生LED点阵片行驱动电路和列 驱动电路的片选地址。图1高速控制方案LED显示屏电原理本方案的特点有两个:第一，虽然CPU还是通过并行总线给列驱动电路的锁存器 写字模数据.但是锁存器的锁存信号改用了 CPU的控制信号RD,而不是常规用法的 WR：第二,地址译码电路保证了 LED点阵片列驱动电路的片选地址和数据存储器的 某一段的逻辑地址是重叠的，而不是常规用法,这两组地址必须分开。由于上述电路的一些简单更改.单片机对LED显示屏的显示控制效率将发生明 显的变化。具体工作过程如下:假定数据指针DPTR中已经装入了数据存储器的地 址，执行指令"

8、;MOVXA,DPTR"。这条指令的功能是CPU按DPTR的指向从外部 数据存储器中读字模数据，读到累加器A中;但是在本电路中、由于LED点阵片列驱 动电路的片选地址和数据存储器的某一段的逻辑地址是重叠的，也就是说，在执行指 令“MOVXA,DPTR”时,DPTR除了指向外部数据存储器的某个地址外，还选中了某 一个LED点阵片列驱动电路的锁存器。如果此时被选中的这个锁存器的锁存引脚 正好有打入脉冲来到，那么锁存器也就将从外部数据存储器送出的字模数据锁住 了。这个打入脉冲用的就是RD。RD是CPU在执行指令"MOVXA,DPTR”时向 外部数据存储器发出的读控制信号。由于MC

9、S51系列单片机的读控制信号RD和 写控制信号WR的时序完全相同,RD代替WR实现锁存功能，当然也就没有什么 悬念了。这条指令在执行时，在完成对数据存储器读的同时、又完成了对LED点阵片 的写，因此加快了显示控制的过程。前面讲过，并行总线时CPU完成1次向LED点阵片的列驱动电路的锁存器写字 模数据的程序过程.大约需要十几州;而现在只要4卜电快多了，因为现在完成1次向 LED点阵片的列驱动电路的锁存器写字模数据的程序过程只要两步，首先给数据指 针DPTR赋有效地址，接着CPU按DPTR的指向从外部数据存储器中读字模数据，与 此同时也将字模数据传给了 LED点阵片列驱动电路的锁存器。2条指令,4

10、个机器 周期,4监。这里要补充说明一点，在编制全部LED点阵片列驱动电路的锁存器写字 模数据的程序时，不要用循环指令,因为那样每次过程又得增加2匹;要采用对LED 点阵片逐片编程的方法，这样编出来的程序虽然占空间，但节省了时间。用空间换时 间的设计方法，有时也是设计人员值得尝试的一种方法。本电路的行驱动锁存器的锁存控制，还是用CPU的写控制信号WR,不作更改。 行驱动锁存器的片选信号也来自地址译码电路。为了避免数据存储器和LED点阵 片之间的相互干扰,与这组地址对应的数据存储器的这部分存储空间就不用它了。地址译码电路的设计，应保证LED点阵片列驱动电路的片选地址和数据存储器 的某一段的逻辑地址

11、是重叠的。具体设计举例如下：假定某一块LED显示屏用了 240片LED点阵片，可显示16x16的汉字60个，用 1片MCS51系列单片机进行高速控制。这240片LED点阵片列驱动电路的片选地 址就应有240个，地址译码电路必须保证译码后的有效地址大于这个数量。图1中 的地址译码电路输入的地址信号是A0A7和AllA15,没有接入A8、A9、A10o 用74LS138译码器.三级译码后可得到256根有效地址线，第1根有效地址线对应外 部数据存储器的 8 个地址:0000H、0100H、0200H. 0300H、0400H, 0500H、0600H. 0700Ho第2根有效地址线对应外部数据存储器

12、的8个地址:0001H、 0101H、0201H、0301H、0401H、0501H、0601H、0701Ho 第 256 根有效地址线对应外部数据存储器的8个地址:OOFFH、01FFH、02FFH、03FFH、04FFH、 05FFH、06FFH、07FFHo这256根有效地址线,240根给列驱动电路的片选地址，余 下的给行驱动电路的片选地址;如果不够用.行驱动电路可考虑改为串行总线的方式 进行控制。上述分析结果表明，1片LED点阵片的I/O接口地址和数据存储器的8 个字节的地址建立了重叠关系。这是因为每片LED点阵片都有8行，每行都对应1 个字节的字模数据。上述分析结果还表明，全部LED

13、点阵片的I/O接口地址和数据存储器的 0000H07FFH地址段建立了映射关系。数据存储器0000H07FFH中存放的正好是 一帧图像的全部字模数据。4高速控制方案在LED显示屏中的应用现在商业上用的大屏幕LED显示屏，用到的LED点阵片成百、上千甚至几千 片。单片机对LED显示屏的控制，包括单片机与PC机的通信、字模数据的数据处 理以及显示控制三个部分。1片单片机要与PC机通信，又要进行数据处理，还要进行 显示控制,肯定是忙不过来的。为了解决大屏幕LED显示屏的控制问题，许多文献都对控制方案作了成功的设 计。不少方案36的基本思路是数据处理由一片单片机完成，显示控制由另一片单片 机或一个专门

14、设计的电路完成。这些方案的控制效率虽然很高，但是电路比较复 杂。图2数据存储器分段选择开关电路本方案的基本思路是.单片机与PC机的通信、数据处理及显示控制都由1片单 片机完成。显示控制采用本文提出的高速控制方案.电路简单,而且显示控制的效率 很高。例如.LED点阵片采用常用的6 cinx6 cm外廓尺寸的LED点阵片时,屏幕面积小于2 m2时,1片MCS51系列单片机就可以完成。但是，高速控制方案用于大屏 幕LED显示屏，还有一些问题要解决：单片机与PC机的通信问题。大屏幕LED显示屏与PC机连接时,PC机用来 编辑待显示的内容,并将内容传给大屏幕LED显示屏中的单片机。PC机与单片机 通信时

15、，不会干扰显示屏的工作。因为显示屏工作时、是一场一场显示的，场与场之间 有黑屏的时间，利用黑屏的时间进行通信完全没有问题。增加显示场次的问题。大部分显示屏的工作方式是.显示的内容一场、一 场、又一场，如此循环。前面的设计只考虑了显示一帧图像时LED点阵片的I/O接 口地址和数据存储器的一段建立映射关系的问题.因此只能显示一场定格的图像。 在图1的基础上增加图2,可以使LED点阵片的I/O接口地址和数据存储器的多段 建立映射关系。工作时，由P1 口控制多路开关,切换数据存储器的不同段和LED点 阵片的I/O接口地址映射，于是显示屏就可以一场一场地循环显示了。如果扩充外 部数据存储器的片数，并由P1 口使能其中的一片有效,那么将可以扩充更多的段和 LED点阵片的I/O接口地址建立映射关系，这样的话、像拉幕、流水等一些