大屏幕LED智能显示技术的研究与实现

张建国

（漳州职业技术学院　电子工程系，福建　漳州　363000）

大屏幕LED智能显示技术的研究与实现

张建国

（漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州363000）

本文从LED显示屏的基本性能要求出发，设计了大屏幕智能LED显示屏整体电路和软件.该电路采用双MCS－51单片机控制、双CPU共享RAM电路的设计方案；通信接口采用标准RS－232C接口设计，与PC进行通讯.实现了由MCS－51单片机进行控制，屏幕自成独立显示系统；一台PC计算机可控制127个条屏；实现计算机组网等功能.

LED显示屏；大屏幕；智能

1　引言

大屏幕LED智能显示屏是由微型计算机控制，能够显示文字和图像的大型平面显示终端.它集成了微电子技术、光电子技术、计算机技术和信息处理技术等，将光、电、声融合为一体，是高新技术的产物.现在，大屏幕LED智能显示技术越来越多地应用于新闻发布、商业广告、交通运输、文化娱乐、体育比赛、航空航天及军事演习等领域，已成为社会信息化的重要设备.

目前，智能LED显示屏尺寸向着精细化、规模化发展.从微型屏、小型条屏、大型屏、甚至面积达上千平米的巨型屏的规模发展.其显示颜色多样化，有灰度、单色、三色、全彩色屏幕等.使用环境和场所也广泛化，有室内外、移动和固定、拼装与积木及整体等不同型号.具有专业化、特型化的显示特点，有多种不同种类的屏幕，可以满足不同环境、不同用户的需求.

2　LED显示屏的设计要求

用LED像素单元或点阵LED模块组成的平面式显示屏幕.具有发光率高、色彩丰富、耗电小、使用寿命长以及适应环境能力强等优点.其发展过程经历了用于显示文字和简单图片的单色和16级双色图文屏；采用了图像处理、视频控制、光纤通信等技术的64级、256级灰度的双基色视频屏；全彩色显示屏的广泛应用，从而将国内的大屏幕LED显示屏带入全彩时代.

2.1LED显示屏一般要求

2.1.1显示分辨率要求

（1）文字显示：视其文字尺寸及分辩率需求而定；（2）普通视频显示：320×240点阵；（3）数字标准DVD显示：≥640×480点阵；（4）完整计算机视频：≥800×600点阵；

2.1.2显示屏的亮度要求

（1）户内：＞800CD/M2（2）半户内：＞2000CD/M2（3）户外（坐南朝北）：＞4000CD/M2（坐北朝南）：＞8000CD/M2.

2.1.3最佳人眼视觉距离

要根据实际应用中的场所的环境要求选择合适的数据：最佳人眼视觉距离≈800×（1/点阵密度（1/2））

2.2设计LED智能显示屏时应达到的要求：

设计LED智能显示屏时应达到：①适用性：在户外环境使用的显示屏，要对其视觉亮度应按全天候环境条件进行设计，还需有防雨、防潮、防灰尘、防蚊虫等措施；②可靠性：对显示屏必须考虑通风和散热的问题；③节能性：显示屏功耗要低，电源使用效率要高；④方便性：为便于显示屏的安装及维修，要采用模块式结构；⑤实用性：要求显示屏显示功能强、效果佳，其可靠性高、成本低，具有较高的性价比，有利于应用和推广等要求.

2.3屏幕的扫描与显示方式的选择

2.3.1屏幕的扫描方式

LED发光响应速度极快，几乎没有余辉产生，具有特殊的发光特性.所以显示屏的发光强度取决于：LED二极管发光强度P和屏幕扫描占空比D.为了不引起视觉疲劳，扫描频率要足够高.频率在50Hz以上.为保证足够的亮度，一般要求D＞1%.

屏幕扫描一般有逐点、逐行、逐列等三种动态扫描方式.逐点扫描发光效率较低，只应用于小点阵小屏幕LED显示.应用逐行扫描，逐列扫描时，可根据显示规模按分区域进行，可保障足够的扫描频率和占空比.

2.3.2屏幕显示方式

以图文屏为例，根据基本显示方式的构成情况.可以设定显示方式与清屏方式，二者各16种，可任意排列组合，总共可有256种显示方式.

3　大屏幕LED智能显示屏的设计

显示屏设计实现的基本功能：可由双单片机控制，屏幕可自成独立显示系统；支持计算机组网，一台PC机可控制127个条屏；每屏可显示10行40个5×7点阵的字符或者15×16点阵的国标汉字.屏幕每次可显示1280个汉字，也可显示图形等.并具有多种显示方式和显示效果，可以组合成12288种显示方式.并有日历时钟显示.

3.1智能LED显示屏整机电路设计

整机电路框图如图1所示，电路采用双MCS-51单片机、双CPU共享RAM芯片的电路结构.整机电路主要包括：主控制电路（主单片机CPU1、汉卡等）；显示控制电路（从单片机CPU2）；共享RAM芯片电路；行列驱动及显示电路；开关电源等组成.

采用双CPU控制结构可以大大减轻主CPU的负担；合理地分配RAM资源；提高显示电路的扫描速率等.

图1　整机电路框图

3.1.1主控电路

主控制器简称主CPU，采用MCS-8031单片机（CPU1）控制，其完成主要功能是：与上位微机进行通信；显示内容的存储区存储与汉卡的汉字库内容的输出；对显示图形数据进行分析处理，并控制屏幕的显示方式；对显示缓冲区进行数据实时更新；由系统监控电路（看门狗）监控单片机（CPU1）的运行状态是否正常.

3.1.2与上位机通信接口

3.1.2.1通信接口电路

采用标准RS-232C接口设计，与PC进行通信.RS-232C标准采用负逻辑（EIA电平）.MCS-51单片机串口是TTL标准，采用正逻辑，须转换为RS-232C标准.通信接口电路设计采用MAX232芯片组成，由单+5V供电、内含EIA电平电压发生器等.通信接口电路如图2所示.

图2　通讯接口电路图

图3　PC机与LED显示屏通讯连接图

3.1.2.2通信格式

PC机对显示屏进行通信，通信格式采用8位数据格式.显示屏的地址为7位地址码.显示屏接收到相符的地址帧后，进行应答并开始接受命令和数据.显示屏地址码范围为01H～7FH，对应1-127号，因此PC机最多可管理127台显示屏.

数据/命令帧为8字节，以ASCLL码方式传输，有效地址显示屏应答以校验数据正确性.每帧以$表示结束.

3.2显示内容存储与汉卡操作

3.2.1数据存储

系统扩展一片随机存储器RAM62256（32K）作为数据存储和数据处理.图形信息和汉字点阵信息，均存入存储器.显示屏接收到的区位码显示信息，通过汉卡查询汉字库并将并行数据转换成点阵信息输出.

3.2.2汉卡电路

本系统采用集成电路芯片GB5199B组成汉字库.汉字库采用双字节方式进行读取.查询汉字库芯片需要有18根地址线，单片机接口地址线不够，需扩展地址线，因此采用一片8155芯片（可编程并行接口）来扩充地址线.8155芯片有三个可编程IO口，可提供22条输出接口.具体电路如图4所示.

图4　汉卡电路图

3.3看门狗程序运行监视电路

为屏幕显示控制系统的可靠运行，防止系统失控，采用硬件及软件组成系统监视器，即“看门狗”（watch-dog）电路.看门狗能够监视单片机系统的运行状态是否正常，是提高智能显示屏运行可靠性和抗干扰能力的重要措施.硬件看门狗上电复位电路由CD4060（14位二进制串行计数/分频/振荡器）芯片组成..CPU1每隔时间t1，由P3.5输出一正脉冲，经R3与C2微分电路将CD4060复位一次.输出端Q14始终为低.若由某种原因导致CPU1失控，CD4060因不能及时被复位，就经过t2时刻（t2＞t1）从输出端Q14端输出一高电平，使CPU1单片机复位，CPU1被恢复到初始运行状态.具体电路如图5所示.

图5　硬件看门狗电路图

3.4共享式显示缓冲区RAM电路

图6　共享式显示缓冲区电路图

本项目采用主控制器（主单片机CPU1）与显示控制器（从单片机CPU2）共享一片RAM（6264数据存储器）电路芯片设计方案.实现对RAM进行分时操作，采用总线隔离切换方式分配共享RAM的使用权.通过联络线Ll的协调，使CPU1和CPU2共享RAM区的使用.其电路如图6所示.

3.5.屏幕显示控制电路

屏幕显示控制电路单片机（CPU2）组成控制系统，完成扫描显示控制任务.CPU2在等到取得共享RAM芯片的总线具有控制权时，从中逐行取出显示数据，并经单片机串行口以同步移位寄存器工作方式输出，送至并-串转换芯片（74LS164）转换成并行数据，并经驱动电路芯片（MC1413）驱动输出之LED点阵显示屏列选通端.行扫描数据则从CPU2P1口输出，经译码电路芯片（CD4514）译码后产生16路行选通输出信号，再经过NPN达林顿功率管（BD682）驱动LED点阵显示器的行选通端，控制LED显示屏的逐行扫描.具体电路如图7所示.

图7　显示控制电路图

3.6小键盘控制电路

小键盘的主要功能：通过小键盘进行输入和编辑控制命令、数据等，控制或修改显示屏的显示工作方式、校对时钟显示内容等，并以串行通信方式与显示屏联系.小键盘可代替PC机操作，电路结构主要由4×4键盘、7位LED数码管、8031单片机（CPU3）、程序存储器（2816EPROM）、通信接口电路、操作提示音电路（蜂鸣器）等电路组成.具体电路如图8所示.

图8　小键盘控制电路图

4　主机程序及计算机控制程序的设计

4.1主机程序设计

主机上电后首先完成初始化操作工作，逐步初始化中断方式、优先级、定时器、串行口等内容，并消隐显示屏；然后对显示缓冲区RAM的显示内容进行初始化，显示标准时间内容并释放总线控制权.若有显示命令，则逐条取出分析处理，并确定显示器各控制子程序的入口参数，依次完成屏幕清屏、出屏和显示操作等控制任务.为实现单片机控制的显示屏与PC机联网，选择的通信接口为标准RS-232 +485接口转换方式.主机程序框图如图9所示.

图9　主机程序框图

4.2PC机控制内容的设计

本项目利用一台PC微型计算机控制127个显示屏并实现计算机组网.每屏实现自成独立显示控制系统并可通过小键盘来控制屏幕的显示.PC机采用多级菜单结构和人机对话式对显示屏幕进行管理和传输数据等控制管理和通信的作用.整个控制管理系统可以以一屏区域为单元对图像信息的进行编辑、处理和存储等；可按照用户要求对版面和格式进行编辑处理，设定播出时间、顺序及方式；对各种信息源进行检索和调用，并以数据库形式对所有显示屏进行信息管理、存储和检索，具有显示预览功能；并对各显示屏工作状态监控和当前进度实时监控，可临时输入所要显示的内容和命令，进行现场编辑.

5　结束语

本项目根据LED显示屏的性能要求，设计了大屏幕LED智能显示屏整体电路和软件.该电路由双MCS-51单片机进行控制，其屏幕自成独立显示系统；一台PC计算机可控制127个条屏；实现计算机组网等功能.屏幕每次可显示任意组合编辑的1280个汉字，亦可显示图形.显示方式和显示效果有多种选择，组合显示方式多达12288种等功能，经实测各项性能达到要求，显示效果较好.

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