引言
LED顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描。顯示控制的過(guò)程是先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得字模數(shù)據(jù)，再通過(guò)單片機(jī)的串行口或并行口將數(shù)據(jù)寫(xiě)給LED點(diǎn)陣片，然后再行掃描,。
動(dòng)態(tài)掃描方案和靜態(tài)顯示方案相比節(jié)省驅(qū)動(dòng)元件,，但要求刷新頻率高于50 Hz,，以避免顯示的圖像或文字出現(xiàn)閃爍。由于刷新頻率的限制,，一片單片機(jī)能控制顯示元件的片數(shù)是較少的,。
現(xiàn)在大屏幕LED顯示屏的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。為了對(duì)成百,、上千片的LED點(diǎn)陣片實(shí)現(xiàn)有序的,、快速的顯示控制，人們動(dòng)了許多腦筋,，雙CPU,、雙RAM的方案，F(xiàn)PGA的方案等都獲得了成功的應(yīng)用,；但是這些方案的顯示控制過(guò)程還是先讀后寫(xiě),。
本方案另開(kāi)思路：用一條讀指令，將讀和寫(xiě)合在一步完成,，可大大地提高顯示控制的效率，且電路簡(jiǎn)單,。
1 LED顯示屏的工作原理
LED顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描,。動(dòng)態(tài)掃描又分為行掃描和列掃描兩種方式，常用的方式是行掃描,。行掃描方式又分為8行掃描和16行掃描兩種,。
在行掃描工作方式下，每一片LED點(diǎn)陣片都有一組列驅(qū)動(dòng)電路,，列驅(qū)動(dòng)電路中一定有一片鎖存器或移位寄存器,，用來(lái)鎖存待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù)。在行掃描工作方式下,，同一排LED點(diǎn)陣片的同名行控制引腳是并接在一條線上的,，共8條線，最后連接在一個(gè)行驅(qū)動(dòng)電路上,；行驅(qū)動(dòng)電路中也一定有一片鎖存器或移位寄存器,，用來(lái)鎖存行掃描信號(hào)。
LED顯示屏的列驅(qū)動(dòng)電路和行驅(qū)動(dòng)電路一般都采用單片機(jī)進(jìn)行控制,，常用的單片機(jī)是MCS51系列,。LED顯示屏顯示的內(nèi)容一般按字模的形式存放在單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，字模是8位二進(jìn)制數(shù),。
單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的控制過(guò)程是先讀后寫(xiě),。按LED點(diǎn)陣片在屏幕上的排列順序,，單片機(jī)先對(duì)第1排的第1片LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)鎖存器，寫(xiě)入從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得的字模數(shù)據(jù),，接著對(duì)第2片,、第3片……直到這一排的最后一片都寫(xiě)完字模數(shù)據(jù)后，單片機(jī)再對(duì)這一排的行驅(qū)動(dòng)鎖存器寫(xiě)行掃描信號(hào),，于是第1排第1行與字模數(shù)據(jù)相關(guān)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮,。接著第2排第1行、第3排第1行……直到最后一排第1行的點(diǎn)亮,。各排第1行都點(diǎn)亮后,，延時(shí)一段時(shí)間，然后黑屏,，這樣就算完成了單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的一行掃描控制,。
單片機(jī)對(duì)LED顯示屏第2行的掃描控制、第3行的掃描控制……直到第8行的掃描控制,，其過(guò)程與第1行的掃描控制過(guò)程相同,。對(duì)全部8行的控制過(guò)程都完成后，LED顯示屏也就完成了1幀圖像的完整顯示,。
雖然按這種工作方式,，LED顯示屏是一行一行點(diǎn)亮的，每次都只有一行亮,，但只要保證每行每秒鐘能點(diǎn)亮50次以上,，即刷新頻率高于50 Hz，那么由于人的視覺(jué)惰性,，所看到的LED顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像,。
2 LED顯示屏的傳統(tǒng)控制方法
參考文獻(xiàn)［1］對(duì)LED顯示屏的控制電路作了歸納和比較。其中,，顯示控制電路是按行掃描方式工作的,，列控制電路分為兩大類。列控制電路中,，一類是用74LS377之類的芯片作為列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,，CPU通過(guò)并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)；另一類是用移位寄存器74LS595之類的芯片作為列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,，CPU通過(guò)串行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù),。
無(wú)論是并行總線的控制方式還是串行總線的控制方式，其工作過(guò)程都是先給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值,，接著累加器A按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向,，從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中讀得字模數(shù)據(jù)。然后,，并行總線時(shí),，再給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值,，接著CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向,，寫(xiě)給LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,；串行總線時(shí)，CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù),，通過(guò)串行口寫(xiě)給LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,。
一般顯示控制中，使用較多的單片機(jī)是MCS51系列,。假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)的晶振頻率是12 MHz,，機(jī)器周期是1 μs，上述兩種控制方式完成1片LED點(diǎn)陣片的顯示控制都得十幾μs,。
本文提出的高速控制方案,，完成1片LED點(diǎn)陣片的顯示控制大約只要4 μs。按此推算,，1片MCS51系列的單片機(jī),，差不多可以對(duì)600多片LED點(diǎn)陣片進(jìn)行顯示控制。與傳統(tǒng)的控制方法相比,，顯示控制的效率成倍提高,。
3 LED顯示屏的高速控制方案
圖1是高速控制方案LED顯示屏電路原理。采用MCS51系列單片機(jī)對(duì)LED顯示屏進(jìn)行控制,；隨機(jī)存儲(chǔ)器62512用作LED顯示屏的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，存儲(chǔ)待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù)；采用8行掃描方式,，多片LED點(diǎn)陣片共用1組行驅(qū)動(dòng)電路；每片LED點(diǎn)陣片都有一組列驅(qū)動(dòng)電路,，用74LS377作為列驅(qū)動(dòng)的鎖存器,，CPU通過(guò)并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)；地址譯碼電路,，用于產(chǎn)生LED點(diǎn)陣片行驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址,。
本方案的特點(diǎn)有兩個(gè)：
第一，雖然CPU還是通過(guò)并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù),，但是鎖存器的鎖存信號(hào)改用了CPU的控制信號(hào)RD,，而不是常規(guī)用法的WR;第二，地址譯碼電路保證了LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的,，而不是常規(guī)用法,，這兩組地址必須分開(kāi)。
由于上述電路的一些簡(jiǎn)單更改,，單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的顯示控制效率將發(fā)生明顯的變化,。具體工作過(guò)程如下：
假定數(shù)據(jù)指針DPTR中已經(jīng)裝入了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址,，執(zhí)行指令“MOVXA，@DPTR”,。這條指令的功能是CPU按DPTR的指向從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀字模數(shù)據(jù),，讀到累加器A中；但是在本電路中,，由于LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的,，也就是說(shuō)，在執(zhí)行指令“MOVXA,，@DPTR”時(shí),，DPTR除了指向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某個(gè)地址外，還選中了某一個(gè)LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,。如果此時(shí)被選中的這個(gè)鎖存器的鎖存引腳正好有打入脈沖來(lái)到,，那么鎖存器也就將從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器送出的字模數(shù)據(jù)鎖住了。這個(gè)打入脈沖用的就是RD,。RD是CPU在執(zhí)行指令“MOVXA,，@DPTR”時(shí)向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器發(fā)出的讀控制信號(hào)。由于MCS51系列單片機(jī)的讀控制信號(hào)RD和寫(xiě)控制信號(hào)WR的時(shí)序完全相同［2］,，RD代替WR實(shí)現(xiàn)鎖存功能,，當(dāng)然也就沒(méi)有什么懸念了。這條指令在執(zhí)行時(shí),，在完成對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀的同時(shí),，又完成了對(duì)LED點(diǎn)陣片的寫(xiě)，因此加快了顯示控制的過(guò)程,。
前面講過(guò),，并行總線時(shí)CPU完成1次向LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序過(guò)程，大約需要十幾μs,；而現(xiàn)在只要4 μs,，快多了，因?yàn)楝F(xiàn)在完成1次向LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序過(guò)程只要兩步,，首先給數(shù)據(jù)指針DPTR賦有效地址,，接著CPU按DPTR的指向從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀字模數(shù)據(jù)，與此同時(shí)也將字模數(shù)據(jù)傳給了LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,。2條指令,，4個(gè)機(jī)器周期，4
μs,。這里要補(bǔ)充說(shuō)明一點(diǎn),，在編制全部LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序時(shí)，不要用循環(huán)指令,，因?yàn)槟菢用看芜^(guò)程又得增加2 μs,；要采用對(duì)LED點(diǎn)陣片逐片編程的方法,，這樣編出來(lái)的程序雖然占空間，但節(jié)省了時(shí)間,。用空間換時(shí)間的設(shè)計(jì)方法,，有時(shí)也是設(shè)計(jì)人員值得嘗試的一種方法。
本電路的行驅(qū)動(dòng)鎖存器的鎖存控制,，還是用CPU的寫(xiě)控制信號(hào)WR,，不作更改。行驅(qū)動(dòng)鎖存器的片選信號(hào)也來(lái)自地址譯碼電路,。為了避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和LED點(diǎn)陣片之間的相互干擾,，與這組地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的這部分存儲(chǔ)空間就不用它了。
地址譯碼電路的設(shè)計(jì),，應(yīng)保證LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的,。具體設(shè)計(jì)舉例如下：
假定某一塊LED顯示屏用了240片LED點(diǎn)陣片，可顯示16×16的漢字60個(gè),，用1片MCS51系列單片機(jī)進(jìn)行高速控制,。這240片LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址就應(yīng)有240個(gè)，地址譯碼電路必須保證譯碼后的有效地址大于這個(gè)數(shù)量,。圖1中的地址譯碼電路,，輸入的地址信號(hào)是A0～A7和A11～A15，沒(méi)有接入A8,、A9,、A10。用74LS138譯碼器,，三級(jí)譯碼后可得到256根有效地址線,，第1根有效地址線對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)地址：0000H、0100H,、0200H,、0300H、0400H,、0500H,、0600H,、0700H,。第2根有效地址線對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)地址：0001H、0101H,、0201H,、0301H、0401H,、0501H,、0601H,、0701H。……第256根有效地址線對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)地址：00FFH,、01FFH,、02FFH、03FFH,、04FFH,、05FFH、06FFH,、07FFH,。這256根有效地址線，240根給列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址,，余下的給行驅(qū)動(dòng)電路的片選地址,；如果不夠用，行驅(qū)動(dòng)電路可考慮改為串行總線的方式進(jìn)行控制,。上述分析結(jié)果表明,，1片LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)字節(jié)的地址建立了重疊關(guān)系。這是因?yàn)槊科琇ED點(diǎn)陣片都有8行,，每行都對(duì)應(yīng)1個(gè)字節(jié)的字模數(shù)據(jù),。
上述分析結(jié)果還表明，全部LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0000H～07FFH地址段建立了映射關(guān)系,。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器0000H～07FFH中存放的正好是一幀圖像的全部字模數(shù)據(jù),。
現(xiàn)在商業(yè)上用的大屏幕LED顯示屏，用到的LED點(diǎn)陣片成百,、上千甚至幾千片,。單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的控制，包括單片機(jī)與PC機(jī)的通信,、字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理以及顯示控制三個(gè)部分,。1片單片機(jī)要與PC機(jī)通信，又要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，還要進(jìn)行顯示控制,，肯定是忙不過(guò)來(lái)的。
為了解決大屏幕LED顯示屏的控制問(wèn)題,，許多文獻(xiàn)都對(duì)控制方案作了成功的設(shè)計(jì),。不少方案［36］的基本思路是數(shù)據(jù)處理由一片單片機(jī)完成，顯示控制由另一片單片機(jī)或一個(gè)專門設(shè)計(jì)的電路完成,。這些方案的控制效率雖然很高,，但是電路比較復(fù)雜。
① 單片機(jī)與PC機(jī)的通信問(wèn)題,。大屏幕LED顯示屏與PC機(jī)連接時(shí),，PC機(jī)用來(lái)編輯待顯示的內(nèi)容，并將內(nèi)容傳給大屏幕LED顯示屏中的單片機(jī),。PC機(jī)與單片機(jī)通信時(shí),，不會(huì)干擾顯示屏的工作。因?yàn)轱@示屏工作時(shí),，是一場(chǎng)一場(chǎng)顯示的,，場(chǎng)與場(chǎng)之間有黑屏的時(shí)間，利用黑屏的時(shí)間進(jìn)行通信完全沒(méi)有問(wèn)題,。
?、?nbsp; 增加顯示場(chǎng)次的問(wèn)題。大部分顯示屏的工作方式是,，顯示的內(nèi)容一場(chǎng),、一場(chǎng)、又一場(chǎng),，如此循環(huán),。前面的設(shè)計(jì)只考慮了顯示一幀圖像時(shí)，LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一段建立映射關(guān)系的問(wèn)題,，因此只能顯示一場(chǎng)定格的圖像,。在圖1的基礎(chǔ)上增加圖2，可以使LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的多段建立映射關(guān)系,。工作時(shí),，由P1口控制多路開(kāi)關(guān)，切換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的不同段和LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址映射,，于是顯示屏就可以一場(chǎng)一場(chǎng)地循環(huán)顯示了,。如果擴(kuò)充外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片數(shù)，并由P1口使能其中的一片有效,，那么將可以擴(kuò)充更多的段和LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址建立映射關(guān)系,，這樣的話，像拉幕,、流水等一些顯示效果,，也就可以實(shí)現(xiàn)了。
?、?nbsp;字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題,。顯示的方式比較多，比如有定格,、拉幕,、流水，流水方式中又有向左流水,、向右流水等,。在轉(zhuǎn)換顯示方式時(shí)，就必須進(jìn)行一次字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理,，用1片單片機(jī),，這也不會(huì)成為問(wèn)題。因?yàn)檗D(zhuǎn)換顯示方式時(shí),，本來(lái)要黑屏1s至幾s,，這段時(shí)間也就正好用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理了。
結(jié)語(yǔ)
本LED顯示屏的高速控制方案,，經(jīng)應(yīng)用證明工作穩(wěn)定,、可靠，且電路簡(jiǎn)單,，特別適合銀行匯率顯示屏,、利率顯示屏使用。另外本文提出的靈活運(yùn)用讀指令的思路,，也可以提供給人們作為借鑒,。