引言
LED顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描,。顯示控制的過程是先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得字模數(shù)據(jù),，再通過單片機(jī)的串行口或并行口將數(shù)據(jù)寫給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)用已越來越廣泛,。為了對成百,、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程還是先讀后寫,。
本方案另開思路：用一條讀指令,，將讀和寫合在一步完成，可大大地提高顯示控制的效率,，且電路簡單,。
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，用來鎖存行掃描信號,。
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LED顯示屏的控制過程是先讀后寫。按LED點(diǎn)陣片在屏幕上的排列順序,，單片機(jī)先對第1排的第1片LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)鎖存器,，寫入從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得的字模數(shù)據(jù)，接著對第2片,、第3片……直到這一排的最后一片都寫完字模數(shù)據(jù)后,，單片機(jī)再對這一排的行驅(qū)動(dòng)鎖存器寫行掃描信號，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LED顯示屏的一行掃描控制。
單片機(jī)對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,，其過程與第1行的掃描控制過程相同。對全部8行的控制過程都完成后,，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通過并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(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通過串行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)。
無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)，通過串行口寫給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通過并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(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還是通過并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù),，但是鎖存器的鎖存信號改用了CPU的控制信號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,。
由于上述電路的一些簡單更改,，單片機(jī)對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,，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,。由于MCS51系列單片機(jī)的讀控制信號RD和寫控制信號WR的時(shí)序完全相同［2］,，RD代替WR實(shí)現(xiàn)鎖存功能，當(dāng)然也就沒有什么懸念了,。這條指令在執(zhí)行時(shí),，在完成對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀的同時(shí)，又完成了對LED點(diǎn)陣片的寫,，因此加快了顯示控制的過程,。
前面講過，并行總線時(shí)CPU完成1次向LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序過程,，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)電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序過程只要兩步,，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^程又得增加2 μs；要采用對LED點(diǎn)陣片逐片編程的方法,，這樣編出來的程序雖然占空間,，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的寫控制信號WR，不作更改,。行驅(qū)動(dòng)鎖存器的片選信號也來自地址譯碼電路,。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，輸入的地址信號是A0～A7和A11～A15,，沒有接入A8,、A9、A10,。用74LS138譯碼器,，三級譯碼后可得到256根有效地址線，第1根有效地址線對應(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，肯定是忙不過來的,。
為了解決大屏幕LED顯示屏的控制問題,，許多文獻(xiàn)都對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,。
?、?nbsp;單片機(jī)與PC機(jī)的通信問題,。大屏幕LED顯示屏與PC機(jī)連接時(shí)，PC機(jī)用來編輯待顯示的內(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),，是一場一場顯示的，場與場之間有黑屏的時(shí)間,，利用黑屏的時(shí)間進(jìn)行通信完全沒有問題,。
② 增加顯示場次的問題,。大部分顯示屏的工作方式是,，顯示的內(nèi)容一場、一場,、又一場,，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)系的問題,，因此只能顯示一場定格的圖像。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一場地循環(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)成為問題,。因?yàn)檗D(zhuǎn)換顯示方式時(shí),，本來要黑屏1s至幾s，這段時(shí)間也就正好用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理了,。
結(jié)語
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。