基于MBI5024的多彩LED点阵模块设计及应用

张学成，曾素琼

(嘉应学院电子信息工程学院，广东梅州514015)

0 引言

LED电子显示屏是利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕，可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强，随着计算机及相关的微电子﹑光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体.在信息显示领域中迅速成长为平板显示的主流产品.彩色LED点阵显示屏在此基础上也迅速发展起来，但当前市场上的彩色LED点阵显示屏造价过高，难于普及应用.因此，设计一款能让市场接受的较低造价的彩色LED点阵点阵模块或像素单元便有着广阔的市场前景.

1 模块设计方案三基色混色原理

1.1 三基色混色原理

三基色RGB是指红、绿、蓝三色，人眼对红、绿、蓝最为敏感，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生，同样绝大多数单色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光［1］.这是色度学的最基本原理，即三基色原理.

红、绿、蓝三基色按照一定比例相加合成混色称为相加混色:黄色由一定比例的红色和绿色相加混色得到;青色由一定比例的绿色和蓝色相加混色得到;品红色由一定比例的红色和蓝色相加混色得到;而红、绿、蓝三基色按一定比例相加混色得到白色.

为达到显示各种颜色的效果(即:混合色的色调和色饱和度)，依据三基色光配成标准白光所需三基色光通量的比例，在上述混色表达式中各基色加上一定的比例系数.配成标准白光所需三基色光通量(红色:绿色:蓝色)的比例约为3∶6∶1.

1.2 模块设计方案

采用模块化设计，利用三基色相加混色原理，将三基色高亮LED制成16×3×16点阵模块，模块的四周加上模块的串联接口，可灵活方便地拼接各种规格(行、列点阵数为16的整数倍)的平板显示媒体，同一行的模块拼接时共用一组点阵横向驱动控制;同理，同一列上的模块共用一组列向驱动模块，这样可节省很多驱动控制电路，这也是低成本设计的主要体现，但作为单一的独立模块使用时硬件成本相对较高，并无低成本优势.模块的结构示意框图如图1所示.

2 模块的硬件设计

2.1 硬件组成框图

硬件组成框图如图2所示，利用三基色相加混色原理，由红、绿、蓝三种颜色的LED组合成1个像素点，各像素点按阵列结构组成行、列各16像素点的16×16点阵模块，采用动态扫描显示方式控制，驱动电路由列向驱动和横向驱动共同完成［2～4］.

2.2 横向驱动电路设计

横向驱动电路如图3所示，由于设计中使用的16位元恒流驱动器MBI5024的输出是低有效输出，因此，每个像素点中的RGB三个发光二极管采用共阳接法，为了实现动态扫描的显示方式控制，将同一像素行的所有共阳接点联接在一起构成点阵行控制线(横向驱动).每个模块有16路像素行，为节省主控制器(MCU)的I/O资源，采用1个4线/16线的译码器译码，再经16组由中功率PNP三极管及若干电阻组成的驱动电路来实现模块的横向驱动控制［5］.

2.3 列向驱动电路设计

列向驱动电路设计如图4所示，模块由3个LED专用16位元恒流驱动器MBI5024组成，分别负责红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色横向点阵控制.

图4 列向驱动电路图

每种基色单独使用1块LED专用16位元恒流驱动器(MBI5024)，三基色串行数据独立与各自MBI5024的串行数据输入端(SDI)连接，所有MBI5024的输出允许控制端(/OE)、数据锁存控制端(LE)、串行时钟输入端(CLK)都对应并接由MCU同步控制，MBI5024的 16位并行输出端(OUT0－OUT15)经限流电阻分别接点阵相应列控制线上(列向驱动)，串行数据输出端(SDO)作为模块的串联数据输出端，连接到下一个模块的串行输入端，其他控制端直接与下一个模块的相应端联接.如此一级级地往后串联实现模块间数据信息的列向驱动控制［6］.由于每种基色单独使用1块LED专用16位元恒流驱动器(MBI5024)，通过设置控制16位元恒流驱动器输出电流的外接电阻值，就可分别调节红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色LED的亮度，即通过设定3块MBI5024芯片外接电阻值的比例就可设定三基色光通量的比例，进而达到各种颜色的混色效果(即:混合色的色调和色饱和度).

3 模块的应用

3.1 模块应用系统的硬件结构

模块可单独使用，即16×16点阵，也可以由多模块拼接成16A×16B点阵(A、B分别为每行、每列的模块数)的大屏幕平板显示器.图5给出了单位扫描块电路的模块拼接示意图，在单位扫描块范围内所有行点阵共用一组列向驱动电路［7］，如模块00、01、…、0x，模块10、11、…、1x;所有列点阵共用一组横向驱动电路［7］，如模块00、10、…、y0，模块01、11、…、y1.受驱动能力及显示刷新率指标的限制，每单位扫描块模行模块数和列模块数都会受到一定的制约，即A、B的值不能太大，但每个系统可控制多个单位扫描块电路.

相对于当前市场上的LED显示器，它的每个模块都采用独立的横向驱动和列向驱动控制电路的驱动方式，多少模块就需要多少组驱动电路，而按图5给出的示意图设计的LED显示器在硬件成本上就有极大的优越性:模块00横向、列向驱动电路都必须有，模块01及第0行后续的所有模块(即模块0x)都是只需要列向驱动电路就行，模块10及第0列后续的所有模块(即模块y0)都是只需要横向驱动电路，而中间的所有模块如模块11等则横向、列向驱动都不用(只剩下LED点阵了)，直接与第0行共用列向驱动，与第0列共用横向驱动.由此可知，这样做可以节省大量硬件资源，从而降低造价.例如，以80×160像素为单位扫描块组成160×160像素点阵屏，所需模块总数为100块，这些模块的驱动中只有2块是需要完整的横向、列向驱动，18块只需列向驱动，8块只需横向驱动，而其余的72块都不需任何驱动，只要LED像素点阵就行了.故以这种方式设计的160×160像素点阵屏，100块模块中只需10组横向驱动和20组列向驱动，因此，横向驱动可以节省90%的硬件资源、列向驱动则可节省80%的硬件资源.扫描块的大小以及采用多少个扫描块，应在确保显示无闪烁感和足够的显示亮度的前提下，再根据整屏点阵数量和结构(长×宽)来合理设计.

3.2 模块应用系统的软件设计

控制软件设计流程主要遵循以下2个方面:第一，MCU对所有单位扫描块的控制都是同步进行的，对单位扫描块哪一行控制及控制内容(即传送数据、数锁存、并行数据输出、行显示、行消隐)都是同时进行的;第二，对单位扫描块的控制细则:在显示第n行的同时进行第(n+1)行(如果n是单位扫描块最后一行则改为第1行)的数据传送，一行数据传送结束则进行列向驱动控制中禁止并行数据输出(即消隐:全屏关显示)，消隐期间进行新数据的锁存控制，然后将横向控制指向下一行导通(如果已是单位扫描块的最后一行则回到单位扫描块的第一行导通)，最后开启列向驱动控制中的并行数据输出(即开始显示新的一行像素)，如此重复.

为了保证显示无闪烁感，根据人眼的视觉特性，必须保证帧频不低于40 Hz，这就要求刷新单位行扫描块所用的时间必须小于25 mS.刷新单位行扫描块所用的时间t由传送一位数据所需时间t1和一行的点阵数x、单位扫描块的行数y、MCU执行数据锁存输出等操作所需时间t2确定:

4 结语

为降低硬件成本，在保证显示不闪烁前提下，单位扫描块的行数尽可能设计的大些;同时，为保证显示不闪烁尽可能地提高MCU的工作时钟，在较高MCU工作时钟(即t1和t2较小)的情况下，并尽可能地加大发光二极管LED的工作电流以保证足够的显示亮度.在研制的彩色LED点阵显示屏样机中，按80×160像素为单位扫描块，由2个单位扫描块组成160×160像素点阵屏，采用单时钟机器周期MCU作主控制器，当工作频率为11.059 2 MHz时显示图文信息亮度偏高但闪烁非常明显，但把工作频率改为18.432 MHz后，显示图文信息效果良好，亮度合适且不闪烁.

［1］王川.彩色电视机原理与维修［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［2］张振荣，晋明武，王毅平.MCS51单片机原理及实用技术［M］.北京:人民邮电出版社，2000.

［3］吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用［M］.北京:清华大学出版，2002.

［4］张学成，曾素琼.一种可扩充LED点阵显示模块及其驱动设计［J］.计算机与现代化，2007(7):123－124.

［5］邓元庆，关宇，贾鹏.数学设计基础与应用［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［6］聚积科技.MBI5024规格书［EB/OL］.http://www.gzneon com/support/datasheet/mbi5024.pdf，2005－06.

［7］张学成.基于电力线载波模块的LED点阵图文显示系统［J］.液晶与显示，2011(3):350－353.