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论文点阵LED显示屏硬件的设计
摘要
伴随当今高度发展的信息时代,涉及半导体技术光电器件、电子电路、集成电路、信息图像处理、信息传输、计算机网络以及电子产品制造和电子产品安装工程等相关技术的LED显示屏在信息领域显得尤为活跃,在各行业的应用及普及方面也取得了长足的进步。
LED在信息领域得到了迅速的发展,各种LED产品迅速发展起来,本文按照LED显示屏系统的具体要求,通过查阅资料,分析归纳出具体设计方案。
即系统体系结构、系统整体工作流程、硬件控制系统的设计、串行通讯的设计以及单片机的功能控制。
通过与硬件系统单片机之间的串行通讯,锁存器对数据的存储,对LED显示点阵的行列驱动最后实现LED显示屏的显示。
本文采用C8051F015单片机作为核心部件,这种型号的单片机处理速度快,防止了由于处理速度慢而引起的闪屏现象,具有良好的显示效果。
关键词:
数码管;点阵屏;串行通讯
Abstract
Intoday'shigh-leveldevelopmentoftheinformationalage,relatedtosemiconductortechnologyoptoelectronicdevices,electroniccircuits,integratedcircuit,Imageprocessingofinformation,informationaltransmission,computernetworksandelectronicproductsmanufacturingandelectronicproducts,suchastheinstallationoftheLEDdisplaytechnologyinthefieldofinformationparticularlyactiveinallsectorsoftheapplicationandpopularizationmadegreatprogress.
LEDinthefieldofinformationhasbeendevelopedrapidly,allkindsofLEDproductsdevelopedrapidly,inthepaperLEDsysteminaccordancewiththespecificrequirements,throughaccesstoinformationandanalysisintospecificdesignoptions.Thatis,systemarchitecture,theoverallworkflowsystem,thedesignofcontrolsystemhardware,thedesignofserialcommunicationandcontrolfunctionsoftheSCM.SCMwiththehardwaresystembetweentheserialcommunication,latchondatastorage,LEDdisplayontheranksofdot-matrixLEDdisplaydriverfinallyrealizetheshow.Inthispaper,C8051F015microcontrollerasthecorecomponents,thistypeofmicrocontrollerisprocessingspeed,asaresultoftreatmenttopreventfromtheslowpaceatwhichcausedflash-screenphenomenonhavingagoodeffect.
Keywords:
LED;latticescreen;serialcommunication
1绪论
1.1LED显示屏的研究背景及意义
LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体,是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。
它以其色彩鲜艳,动态范围广,亮度高,寿命长,工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者,广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面,是目前国际上极为先进的显示媒体。
在现代信息化社会的高速发展过程中,最具意义的莫过于大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用开始向消费类多媒体应用渗透。
随着宽带网络的发展,数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流,新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。
与传统的显示设备相比,正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点:
(1)LED显示屏色彩丰富,显示方式变化多样(图形、文字、三维、二维动画、电视画面等)、亮度高、寿命长,是信息传播设施划时代的产品。
(2)LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品,可用来显示文字、计算机屏幕图形。
它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势,在国际上使用非常广泛。
(3)LED显示屏应用广泛,金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面,有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。
在其历史的演变过程中,出现了多种信息传播媒体:
但就其性能看:
如阴极管(crt)或石英管(dv)大型电视,成本非常昂贵,在不需要大画面且在室内使用时效果尚可;色彩液晶显示同样成本昂贵、电路复杂,面积有限,受视频角的影响非常大,可视角度很小;影象投影设备亮度小、清晰度差(画面受光不均匀);电视墙表面有分割线,视觉上有异物感,室外应用时亮度效果差。
而LED显示屏以其受空间限制较小,并可以根据用户要求设计屏的大小,具有全色彩色效果,视角大,可以用于显示文字、图案、图像、动画、视频、录像等,得到了突飞猛进的发展。
LED显示屏的发展主要经历了三个阶段:
第一阶段:
1990年以前LED显示屏的成长时期。
一方面,受LED材料器件的限制,LED显示屏的应用领域没有广泛开展;另一方面,显示屏控制技术基本上是通讯控制方式,客观上影响了显示效果。
这一时期的LED显示屏在国外应用较广,国内很少,产品以红、绿双基色为主,控制方式为通讯控制,灰度等级为单点4级调灰,成本较高。
第二阶段:
1990—1995年,这一段是LED显示屏迅速发展的时期。
进入九十年代,全球信息产业高速增长,信息技术各个领域不断突破,LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。
蓝色LED晶片研制成功,全色彩LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展,在现实控制技术领域出现了视频控制技术,显示屏灰度等级实现16灰度和64级灰度调灰,显示屏的动态显示效果大大提高,产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域,特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏机场的大幅增长。
LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成,LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
第三阶段:
1995年以来,LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。
进入新世纪,光电子产业得到广泛的重视,中国加入WTO、北京申奥成功等,成为LED显示屏产业发展的契机,LED显示屏必将得到飞跃发展。
1.2LED显示屏的技术现状及发展趋势
LED显示屏的技术范围包括半导体器件技术、电子电路技术、集成电路技术、信息图像处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关技术。
(1)LED显示屏相关定义:
1、LED:
发光二极管leghtemittingdiode
2、LED显示屏:
LEDpanel由LED器件组成的显示屏幕
3、显示单元:
displayunit由电路及安装结构确定的并具有显示功能的组成LED显示屏的最小单元
4、CRT同步显示:
电脑显示器大多采用CRT显象管,因此电脑显示器有时也称为CRT显示器。
CRT同步显示是指LED显示屏的显示内容能实时、同步地反映电脑CRT显示器上的显示内容
5、全彩色LED显示屏:
all-colorLEDpanel由红、绿、蓝三基色LED器件组成并可调出多种色彩的LED显示屏
(2)LED显示屏的分类:
1、根据使用环境,LED显示屏分为室内显示屏和室外显示屏。
2、根据显示颜色,LED显示屏分为单基色LED显示屏,双基色LED显示屏和全彩色(三基色)LED显示屏。
按灰度级又可分为16、32、64、128、256级灰度LED显示屏等。
3、根据显示性能,LED显示屏分为文本LED显示屏、图文LED显示屏、计算机视频LED显示屏,电视视频LED显示屏和行情LED显示屏(一般包括证券、利率、期货等用途)等。
4、根据基本发光点,室内LED显示屏可以按照LED单点直径分类;室外LED显示屏可以按照采用的象素直径分类。
1.3LED显示屏的相关技术
(1)灰度控制技术
LED显示屏在进行图文显示时,对同一基色采用级差间隔亮度,实现颜色的组合,一般可做到16级、64级、256级灰度。
为使显示效果更符合人眼的视觉特性,出现了非线性级差调灰技术,即在地亮度区级差小,增加级数,逐步到高亮度区时增大级差,形成视觉效果上的“级差一致性”。
目前LED显示屏灰度控制一般都在256级,通过采用非线性调灰技术,显示屏的显示效果比较理想。
实际上数据、图像的信号源的制约,单纯追求大数量级的灰度控制,在使用中的实际价值是值得商讨的。
(2)驱动电路
LED正向导通电压的典型值3.0V~4.0V,驱动电流为20mA。
如果只是用一个固定的正向电压驱动LED,可能会产生变化范围较大的正向电流,例如用3.4V驱动6只LED,相应的正向电流差别较大:
10mA~44mA,取决于具体的LED特性曲线。
为保证可靠性,驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求,典型最大值一般为30mA,但是,当环境温度升高时所允许的额定电流会降低,例如,当温度达到50℃时电流需限制在20mA以内。
在实际运用中,负载常采用通过串并联形成的LED阵列,这会使输出输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著,并且阵列形式或LED个数变化,限流电阻也应该相应变化。
LED显示屏广泛使用的驱动电路是基于通用型集成电路来设计的,原理比较简单,价格便宜,产品的技术开放性比较强。
通用IC设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示屏方面应用成熟,目前仍然是主流的驱动电路。
近年恒流驱动IC的发展较快并受到重视和广泛应用。
恒流驱动技术根据LED器件的发光与驱动电流高度相关的特点,大大提高了LED显示的均匀性,同时减少了显示驱动电路的阻容元件,降低了故障点,是LED显示屏更可靠、亮丽。
(3)通信传输和网络控制
RS-485是一种平衡差分驱动、半双工的串行通信接口标准,它具有传输距离远、抗干扰能力强、较高的数据传送速率和便于构成分布式测控网络等优点。
在一般场合采用普通的双绞线就可以,在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。
在使用RS-485接口时,对于特定的传输线路,从RS-485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比,这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响。
理论上RS-485的最长传输距离能达到1200米,但在实际应用中传输的距离要比1200米短,具体能传输多远视周围环境而定。
在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大,最多可以加八个中继,也就是说理论上RS-485的最大传输距离可以达到9.6公里。
如果真需要长距离传输,可以采用光纤为传播介质,收发两端各加一个光电转换器,多模光纤的传输距离是5~10公里,而采用单模光纤可达50公里的传播距离。
发送功能涉及到上端与下端方面的通讯。
在电脑终端的信息数据通过“通讯协议”与单片机实现数据传递,达到电脑智能终端制电子产品的“电子自动化”的目的。
根据对信息传输和视频传输。
视频传输方式则是把LED显示屏与多媒体技术结合起来,实现了在LED显示屏上实时显示计算机监视器的内容,也可播放录像及电视节目,一般用于播放实时信息的显示屏都采用视频控制。
具体传输是采用成对的专用长线传输接口电路。
另外,随着计算机网络技术的发展,LED显示屏在网络环境下的使用情况越来越多,在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中,智能化网络控制,联网控制多屏技术也在实际中得到应用。
1.4论文主要研究的内容
通过串口采用串行通讯方式,完成信息的传输;通过对电源电路的设计,完成对C8051F015单片机的供电电路的设计;通过对点阵模块和控制电路的分析,确定LED显示屏的部件构成;通过对单片机的分析,确定LED显示屏的组成结构和驱动方式,实现LED显示屏的驱动。
组织安排如下:
1、绪论。
本章介绍LED研究的背景和意义、技术现状及发展趋势、相关技术和论文研
究的主要内容。
2、CYGNAL单片机简介。
在这一章中具体介绍单片机内核、存储器、JTAG调式和扫描、I/O接口和交叉开关、可编程计数器阵列、串行端口、模数转换器、数模转换器、比较器。
3、点阵LED显示屏硬件设计。
在这一章中,根据具体的应用的要求,对整个硬件
系统进行了详细的分析,主要对RS-485做了详细的概述,并对通讯规则做了讲述。
介绍了三端式可调电位器的外形及结构、极限参数及其功能和驱动电路中的各芯片的功能作用,说明了点阵LED行列驱动过程。
以上是本次毕业论文的工作安排。
在随后的工作中,将根据这一计划逐步完成论
文。
2CYGNAL单片机简介
C8051F015单片机是完全集成的混合信号系统级芯片,具有与8051兼容的微控制器内核,与MCS-51指令集完全兼容。
除了具有标准8052的数字外设部件之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。
MCU中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、定时器、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器(WDT)和时钟振荡器等。
所有器件都有内置的FLASH程序存储器和256字节的内部RAM,有些器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM,即XRAM。
C8051F015单片机采用流水线结构,机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期,处理能力大大提高,峰值性能可达25MIPS。
C8051F015单片机是真正能独立工作的片上系统(SOC)。
每个MCU都能有效地管理模拟和数字外设,可以关闭单个或全部外设以节省功耗。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。
应用程序可以使用MOVC和MOVX指令对FLASH进行读或改写,每次读或写一个字节。
这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。
片内JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、单步、运行和停机命令。
在使用JTAG调试时,所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
每个MCU都可在工业温度范围(-45℃到+85℃)内用2.7V-3.6V(F018/019为2.8V-3.6V)的电压工作。
端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。
其C8051F015集成芯片如图2.1所示。
图2.1C8051F015集成电路图
AMUX模拟量多路转换器、SANITYCONTROL控制正常、VOLTAGECOMPARATORS电压比较器、CLOCKCIRCUIT时钟电路、ANALOGPERIPHERALS模拟外设、22INTERRUPTS22个中断、EMULATIONCIRCUITRY仿真电路、HIGH-SPEEDCONTROLLERCORE高速控制器内核
2.1CIP-51TM内核
C8051F015器件使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容,可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件,包括3个16位的计数器/定时器、一个全双工UART、256字节内部RAM空间、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及4个8位的I/O端口。
CIP-51还另外有增加的模拟和数字外设或功能部件。
CIP-51采用流水线结构,与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
在一个标准的8051中,除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期。
而对于CIP-5内核,70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期,只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。
CIP-51共有111条指令。
表2.1列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。
表2.1CIP-51指令条数与时钟周期数关系
执行周期数
1
2
2/3
3
3/4
4
4/5
5
8
指令数
26
50
5
16
7
3
1
2
1
CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时,它的峰值速度达到25MIPS。
图2.2给出了几种8位微控制器内核工作在最大系统时钟频率时峰值速度的比较关系。
图2.2最大系统时钟频率时峰值速度
C8051F015MCU在与标准8051相比,在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进,提高了整体性能,更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51提供22(C8051F3xx为12)个中断源(标准8051只有7个中断源),允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预,却有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时,这些增加的中断源是非常有用的。
MCU可有多达7个复位源:
一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个强制软件复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。
/RST引脚是双向的,可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。
除了VDD监视器和复位输入引脚以外,每个复位源都可以由用户用软件禁止。
MCU内部有一个能独立工作的时钟发生器,在复位后被默认为系统时钟。
如有需要,时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。
外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。
这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的,它允许MCU从一个低频率(节电)外部晶体源运行,当需要时再周期性地切换到高速(可达16MHz)的内部振荡器。
2.2存储器
CIP-51有标准8052的程序和数据地址配置。
它包括256字节的数据RAM,其中高128字节为两个地址空间。
用间接寻址访问通用RAM的高128字节,用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。
数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。
前32个字节为4个通用工作寄存器区,接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。
某些器件中还另有位于外部数据存储器地址空间的1K-4K字节的RAM块。
这个RAM块可以在整个64k外部数据存储器地址空间中被寻址。
C8051F02x中有可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。
这个片内外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合(4K以下的地址指向片内,4K以上的地址指向EMIF)。
EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。
MCU的程序存储器为8K-64K字节的FLASH。
该存储器以512字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需在片外提供编程电压。
2.3JTAG调试和边界扫描
C8051F015具有片内JTAG和调试电路,通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试(C8051F3xx具有片内C2调试电路,通过2脚C2接口并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试)。
该JTAG接口完全符合IEEE1149.1标准(C8051F2xx的JTAG接口没有边界扫描功能),为生产和测试提供完全的边界扫描功能。
Cygnal的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。
调试时不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道,并且所有的模拟和数字外设都正常工作。
当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时,所有的外设(ADC除外)都停止运行,以保持同步。
对于开发和调试嵌入式应用来说,该系统的调试功能比采用标准MCU仿真器要优越得多。
标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆,还需要在应用板上有MCU的插座。
Cygnal的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。
2.4可编程数字I/O和交叉开关
C8051F015具有标准8051兼容的I/O端口。
有的端口在某些器件中没有引出脚,没有引出脚的端口可用作通用寄存器。
I/O端口的工作情况与标准8051相似,但有一些改进。
每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。
在标准8051中固定的“弱上拉”可以被禁止,这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。
可能最突出的改进是引入了数字交叉开关(C8051F2xx除外)。
这是一个大的数字开关网络,允许将内部数字系统资源分配给端口I/O引脚。
与具有标准复用数字I/O的微控制器不同,这种结构可支持所有的功能组合。
可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。
这就允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。
2.5可编程计数器阵列
除了通用计数器/定时器之外,C8051F00x/01x/02xMCU还有一个片内可编程计数器/定时器阵列(PCA)。
PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5(C8051F3xx为3)个可编程的捕捉/比较模块。
时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一:
系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入(ECI)、系统时钟和外部振荡源频率/8(C8051F00x/01x没有后两个时钟源)。
每个捕捉/比较模块都有4或6种工作方式:
边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位脉冲宽度调制器、频率输出、16位脉冲宽度调制器(C8051F00x/01x没有后两种工作方式)。
PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚。
2.6串行端口
C8051FxxxMCU内部有一个全双工UART、SPI总线和SMBus/I2C总线。
每种串行总线都完全用硬件实现,都能向CIP-51产生中断,因此很少需要
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