基于FPGA驅(qū)動(dòng)的高速點(diǎn)陣板驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)接口研制

1、潘茂盛摘要：關(guān)鍵詞：恒流驅(qū)動(dòng) 脈寬調(diào)制 LED顯示屏 脈沖打散 逐位點(diǎn)亮目錄第一章 概 述 LED顯示屏及應(yīng)用1.2 LED大屏幕的發(fā)展與趨勢(shì)1.3 本課題的內(nèi)容1.4 本課題的意義1.5 FPGA較之MUC優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及論文結(jié)構(gòu)第2章 LED器件基本工作原理2.1 光學(xué)度和視覺(jué)特性2.2 發(fā)光二極管特性2.3 LED器件的驅(qū)動(dòng)原理第3章 LED顯示屏結(jié)構(gòu)及組成3.1 點(diǎn)陣顯示屏的屏體結(jié)構(gòu)雙色LED單元板硬件組成及工作原理第4章LED顯示屏控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)4.1 FPGA及其開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介.1 PLD簡(jiǎn)介4.1.2 Altera的EP2C5T144 FPGA開(kāi)發(fā)工具 FPGA開(kāi)發(fā)流程第4章

2、LED顯示屏灰度控制的實(shí)現(xiàn)4.1 灰度控制的實(shí)現(xiàn)4.2 灰度控制之脈沖打散4.3 灰度控制之逐位分時(shí)點(diǎn)亮工作原理4.4 灰度控制方案總結(jié)第5章 LED顯示屏顯示數(shù)據(jù)的組織方法5.1 顯示數(shù)據(jù)組織的基本原則5.2 靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)的組織 靜態(tài)顯示的LED顯示屏數(shù)據(jù)組織 靜態(tài)屏的滾動(dòng)顯示5.3 LED顯示屏動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)的組織第6章 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)6.1 控制系統(tǒng)需求6.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案說(shuō)明6.3 控制卡核心器件選擇6.4 ATMEGA128芯片簡(jiǎn)介6.5 ATMEGA128的特點(diǎn)與顯示屏控制需求的適應(yīng)性分析第7章 以ATMEGA128為核心的顯示屏控制卡設(shè)計(jì)7.1 主控卡電路的設(shè)計(jì)7.2 分控

3、卡電路的設(shè)計(jì)7.3 串行通信接口電路設(shè)計(jì)7.4 USB通信接口電路設(shè)計(jì)7.5 顯示屏控制信號(hào)電路7.6 主、分控制卡并行信號(hào)電路7.7 JTAG接口電路設(shè)計(jì)第8章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)8.1 軟件設(shè)計(jì)概述8.2 控制卡軟件設(shè)計(jì)8.2 主控制卡的程序設(shè)計(jì)8.4 分控制卡程序設(shè)計(jì)8.5 LED顯示控制模塊第9章 總結(jié)參 考 文 獻(xiàn)致謝附錄附錄一：LED顯示屏控制卡實(shí)物圖附錄二：旋轉(zhuǎn)LED顯示屏實(shí)物圖附錄三：部分源程序第一章 概 述 LED顯示屏及應(yīng)用1LED顯示屏的應(yīng)用涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，主要包括：（1）證券交易、金融信息顯示。這一領(lǐng)域的LED顯示屏占到了前幾年國(guó)內(nèi)LED顯示屏需求量的50%以上

4、，目前仍為L(zhǎng)ED顯示屏的主要需求行業(yè)。上海證券交易所、深圳證券交易所及全國(guó)上萬(wàn)家證券、金融營(yíng)業(yè)機(jī)構(gòu)廣泛使用了LED顯示屏。（2）機(jī)場(chǎng)航班動(dòng)態(tài)信息顯示。民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)對(duì)信息顯示的要求非常明確，LED顯示屏是航班信息顯示系統(tǒng)FIDS （Flight information Display system）的首選產(chǎn)品，首都機(jī)場(chǎng)、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、?？诿捞m機(jī)場(chǎng)、珠海機(jī)場(chǎng)、廈門(mén)高崎機(jī)場(chǎng)、深圳黃田機(jī)場(chǎng)、廣州白云機(jī)場(chǎng)及全國(guó)數(shù)十家新建和改擴(kuò)建機(jī)場(chǎng)都選用了國(guó)產(chǎn)的LED顯示屏產(chǎn)品。（3） 港口、車(chē)站旅客引導(dǎo)信息顯示。以LED顯示屏為主體的信息系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)、列車(chē)到發(fā)揭示系統(tǒng)、票務(wù)信息系統(tǒng)等共同構(gòu)成客運(yùn)樞紐的自動(dòng)化系統(tǒng)

5、，北京站、北京西站、南昌站、大連港等國(guó)內(nèi)重要火車(chē)站和港口都安裝了國(guó)內(nèi)廠家提供的產(chǎn)品和系統(tǒng)。（4）體育場(chǎng)館信息顯示。LED顯示屏已取代了傳統(tǒng)的燈泡及CRT顯示屏，四十三屆世乒賽主場(chǎng)地天津體育中心首次采用了國(guó)產(chǎn)全彩色視頻LED顯示屏，受到普遍好評(píng)，上海體育中心、大連體育場(chǎng)等許多國(guó)內(nèi)重要體育場(chǎng)館相繼采用了LED顯示屏作為信息顯示的主要手段。（5）道路交通信息顯示。智能交通系統(tǒng)（ITS）的興起，在城市交通、高速公路等領(lǐng)域，LED顯示屏作為可變情報(bào)板、限速標(biāo)志等，替代國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，得到普遍采用。（6）調(diào)度指揮中心信息顯示。電力調(diào)度、車(chē)輛動(dòng)態(tài)跟蹤、車(chē)輛調(diào)高度管理等，也在逐步采用高密度的LED顯示屏。（7）

6、郵政、電信、商場(chǎng)購(gòu)物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。遍布全國(guó)的服務(wù)領(lǐng)域均有國(guó)產(chǎn)LED顯示屏在信息顯示方面發(fā)揮作用。（8）廣告媒體新產(chǎn)品。除單一大型戶內(nèi)、戶外顯示屏做為廣告媒體外，國(guó)內(nèi)一些城市出現(xiàn)了集群LED顯示屏廣告系統(tǒng)；列車(chē)LED顯示屏廣告發(fā)布系統(tǒng)也已在全國(guó)數(shù)十列旅客列車(chē)上得到采用并正在推廣。（9）演出和集會(huì)。大型顯示屏越來(lái)越普遍的用于公共和政治目的的視頻直播，如在我國(guó)建國(guó)50周年大慶、美國(guó)總統(tǒng)大選、莫斯科850周年慶典、日本 NAGANNO冬季奧運(yùn)會(huì)、波蘭教皇的訪問(wèn)、巴西狂歡節(jié)、世界各地的新千年慶典。這些節(jié)日中大型顯示屏增加了藝術(shù)影響力，在播放廣告和信息的同時(shí)也團(tuán)結(jié)了人們。（10）展覽

7、和租賃。在許多展覽會(huì)，LED顯示大屏幕作為展覽組織者提供的重要服務(wù)內(nèi)容之一，向參展商提供有償服務(wù)，國(guó)外還有一些較大的LED大屏幕的專(zhuān)業(yè)性租賃公司，也有一些規(guī)模較大的制造商提供租賃服務(wù)。1.2顯示屏的發(fā)展?fàn)顩r2LED顯示屏經(jīng)歷了從單色、雙色圖文顯示屏，到圖像顯示屏，一直到今天的全彩色視頻顯示屏的發(fā)展過(guò)程。目前LED顯示屏根據(jù)使用場(chǎng)所不同，可以分為室外屏和室內(nèi)屏兩種，其主要區(qū)別是發(fā)光管的發(fā)光亮度不同。而根據(jù)所顯示的內(nèi)容不同也可以分為圖像屏和文字屏兩種。2、顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)目前LED電子顯示屏的顯示向更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光均勻性、更高的可靠性、全色化、多媒體方向發(fā)展，系統(tǒng)的運(yùn)行，操作與維

8、護(hù)也向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。(1) 高亮度、全彩化藍(lán)色及綠色超高亮度LED產(chǎn)品出現(xiàn)以來(lái)，成本逐年快速降低，使LED全彩色顯示屏產(chǎn)品成本下降，推廣速度加快。同時(shí)，隨著控制技術(shù)的發(fā)展和LED顯示屏體穩(wěn)定性的提高，使全彩色LED顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達(dá)到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，而且圖像更清晰、更細(xì)膩、更亮麗。(2) 標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化材料、技術(shù)的成熟及市場(chǎng)價(jià)格基本均衡之后，LED顯示屏的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范成為L(zhǎng)ED顯示屏發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。近幾年業(yè)內(nèi)的發(fā)展中，價(jià)格調(diào)整達(dá)到基本均衡后，產(chǎn)品質(zhì)量、系統(tǒng)的可靠性等將成為主要的競(jìng)爭(zhēng)因素，這就對(duì)LED顯示屏的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化有了較

9、高的要求。行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系的形成，IS09000系列標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，使LED顯示屏行業(yè)的發(fā)展趨于有序化。(3) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化隨著信息化社會(huì)的形成，信息領(lǐng)域愈加廣泛，LED顯示屏的應(yīng)用前景更為廣闊。預(yù)計(jì)大型或超大型LED顯示屏為主流產(chǎn)品的局面將會(huì)發(fā)生改變，適合于服務(wù)行業(yè)特點(diǎn)和專(zhuān)業(yè)性要求的小型LED顯示屏?xí)休^大提高，面向信息服務(wù)領(lǐng)域的LED顯示屏產(chǎn)品門(mén)類(lèi)和品種體系將更加豐富，部分潛在市場(chǎng)需求和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有所突破，如公共交通、停車(chē)場(chǎng)、餐飲、醫(yī)院等綜合服務(wù)方面的信息顯示屏需求量將有更大的提高，大批量、小型化的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)LED顯示屏在LED顯示屏市場(chǎng)總量中將會(huì)占有多數(shù)份額。本課題的內(nèi)容研究的內(nèi)容主要包

10、括，首先深入了解大屏幕LED顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，工作原理，其次學(xué)習(xí)基于ALTERA CycloneEP2C5T144C8N的 FPGA芯片，及外圍電路，最后完成基于EP2C5T144C8N的LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要求包括能夠獲得較大的顯示區(qū)域，能夠達(dá)到穩(wěn)定的顯示效果。本課題的意義本課題的目的在于研究、設(shè)計(jì)與制作出一系列的高性價(jià)比的LED顯示屏顯示控制系統(tǒng)。由于信息時(shí)代的到來(lái)，信息的發(fā)布成為重要的服務(wù)內(nèi)容，各類(lèi)信息顯示設(shè)備成為機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、碼頭、高速公路等面向公眾發(fā)布信息的主導(dǎo)手段，而LED顯示以其高亮度、高對(duì)比度、大屏幕、無(wú)縫連接、高可靠性等特點(diǎn)受到各信息廣告行業(yè)的青睞，所以該課題的研究有著深遠(yuǎn)的意

11、義，對(duì)公眾了解信息提供了方便。1.5 FPGA較之MUC優(yōu)勢(shì)這個(gè)比較物是單片機(jī)（MCU），這里把各類(lèi)ARM芯片也歸類(lèi)進(jìn)來(lái)。MCU實(shí)現(xiàn)的是軟邏輯。MCU根據(jù)燒寫(xiě)在存儲(chǔ)器中的代碼進(jìn)行動(dòng)作。MCU內(nèi)部的處理器首先要從存儲(chǔ)器中讀取代碼，然后解釋代碼，執(zhí)行代碼。FPGA實(shí)現(xiàn)的是硬邏輯。工程師用硬件描述語(yǔ)言（Verilog/VHDL）描述需實(shí)現(xiàn)的邏輯，然后通過(guò)專(zhuān)門(mén)的工具綜合后生成目標(biāo)文件。把目標(biāo)文件下載進(jìn)FPGA后，F(xiàn)PGA內(nèi)部便形成了實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的硬件電路，這些電路是由基本的門(mén)電路和觸發(fā)器構(gòu)成。不過(guò)現(xiàn)在FPGA通過(guò)IP核的方式也可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似MCU的軟邏輯。相對(duì)MCU，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢(shì)主要有：速度快，應(yīng)用靈活

12、等。速度快的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于FPGA的硬邏輯方式。由于FPGA的邏輯功能全部用硬件電路實(shí)現(xiàn)，故所有的延遲只來(lái)源于門(mén)電路，而一般門(mén)電路的延遲都在ns級(jí)別。FPGA較MCU，應(yīng)用更加靈活。一個(gè)型號(hào)的MCU，外圍設(shè)備種類(lèi)是固定的個(gè)數(shù)也是固定的。而FPGA的設(shè)備是可以由編程人員配置的，這就加大了硬件使用的靈活性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及論文結(jié)構(gòu)方案1-1：采用普通的單片機(jī)做控制系統(tǒng)，由于一塊普通單片機(jī)刷新頻率不足，不能滿足顯示區(qū)域較大，那么就需要采用多塊單片機(jī)分散控制，如圖1-1所示，這樣一來(lái)管理非常麻煩，程序編制比較復(fù)雜，顯示難以同步，因此不應(yīng)采納。圖1-1 基于51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖方案1-2：采用基于EPC25

13、T144的FPGA的高性能處理器做控制系統(tǒng)，系統(tǒng)時(shí)鐘高達(dá)160MHz,這樣在傳輸速度上就解決了普通單片機(jī)不能解決的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)如圖12。圖1-2 基于FPGA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖但是在灰度控制中FPGA速度足夠快，但是LED屏體傳輸速度只有24MHz，實(shí)現(xiàn)大屏灰度控制困難，在方案12中使用的僅僅是FPGA的速度這就沒(méi)有把FPGA的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)，在1.5節(jié)中提到FPGA資源可配置的靈活性，這里我兼顧方案1-1并行傳輸和1-2速度快的優(yōu)點(diǎn)，使用FPGA集成并行掃描方式解決這一問(wèn)題，如圖13。圖1-3，F(xiàn)PGA集成并行掃描論文從介紹了LED顯示屏開(kāi)始，接著對(duì)LED發(fā)光器件作了說(shuō)明，然后詳細(xì)說(shuō)明了LED顯示屏屏

14、體電路和顯示屏控制系統(tǒng)，介紹了顯示屏的接口電路，軟件的編寫(xiě)等，最后講述了作者在制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方法以及對(duì)自己的工作總結(jié)。第2章 LED器件基本工作原理2.1 光學(xué)度和視覺(jué)特性3為了使LED顯示屏達(dá)到理想的顯示效果，除了需要對(duì)LED器件本身的工作原理及特性有很好的理解之外，首先要對(duì)光學(xué)特性（亮度、色彩、視角）等和人眼的視覺(jué)特性有所了解。由于圖像顯示的最終效果是與光源特性（如果是反射光的話，還要考慮反射體的光學(xué)特性）和視覺(jué)特性雙方有關(guān)的，它既有光學(xué)原理所描述的客觀存在，也有人眼視覺(jué)主觀感受的因素，兩者兼顧才能收到良好的效果。光度是對(duì)有關(guān)的輻射能量與人眼亮度感受兩者關(guān)系的描述；色度是對(duì)有關(guān)

15、彩色形成與彩色視覺(jué)關(guān)系的描述。人眼對(duì)亮度的敏感程度與顏色有關(guān)，在整個(gè)可見(jiàn)光范圍并不是均勻的。人眼對(duì)不同顏色光線的敏感程度不同，人眼對(duì)顏色的感覺(jué)來(lái)源于視網(wǎng)膜上三種不同類(lèi)型的視錐細(xì)胞。不同的視錐細(xì)胞對(duì)不同的顏色敏感，它們的視敏曲線表示在圖2-1上，分別為Rs()、Gs()、Bs()，即三種視錐細(xì)胞分別對(duì)紅綠藍(lán)三色最敏感。三種細(xì)胞的共同作用下，就可以得到人對(duì)顏色的總體感覺(jué)。根據(jù)對(duì)人眼的研究，可知用RGB三基色的不同比例，可以合成不同的顏色。三種顏色不同比例的混合就能發(fā)出從白到黑的各種顏色的光。這就是LED顯示屏為什么以RGB為三基色。圖2-1 視錐細(xì)胞視敏函數(shù)曲線人眼的亮度感覺(jué)不會(huì)因光源的消失而立即

16、消失，要有一個(gè)延遲時(shí)間，這就是視覺(jué)惰性。視覺(jué)惰性可以理解為光線對(duì)人眼的作用傳輸處理等過(guò)程都需要時(shí)間，因而使視覺(jué)具有一定的低通特性。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外界光源突然消失時(shí)，人眼的亮度感覺(jué)是按指數(shù)規(guī)律逐漸減小的。這樣當(dāng)一個(gè)電源反復(fù)通斷，在通斷頻率較低時(shí)，人眼可以發(fā)現(xiàn)亮度的變化；而通斷頻率增高時(shí)，視覺(jué)就逐漸不能發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的亮度變化了，刷新頻率越高，畫(huà)面質(zhì)量越好，但刷新頻率越高，對(duì)屏體背后的驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的要求也越高。視覺(jué)惰性可以說(shuō)是LED顯示屏得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。首先，在LED顯示屏中可以利用視覺(jué)惰性，改善驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，形成了目前廣為采用的掃描驅(qū)動(dòng)方式。掃描驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于LED顯示屏不必對(duì)每個(gè)發(fā)光燈

17、提供單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路，而是若干個(gè)發(fā)光燈為一組共享一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)掃描的方法，使各組發(fā)光燈依次點(diǎn)亮，只要掃描頻率高于臨界閃爍頻率，人眼看起來(lái)各組燈都在發(fā)光。由于LED顯示屏所使用的發(fā)光燈數(shù)量很大，一般在幾千只到幾萬(wàn)只的范圍，所以節(jié)約驅(qū)動(dòng)電路的效益是十分可觀的。2.2 發(fā)光二極管特性3發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)，是一種把電能變成光能的特種器件，當(dāng)電流通過(guò)它的時(shí)候(圖2-2)，可以產(chǎn)生可見(jiàn)光。圖2-2 點(diǎn)亮一個(gè)LED發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。我們知道，發(fā)光是一種能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)受到外界激發(fā)后，會(huì)從穩(wěn)定的低能態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)；當(dāng)

18、系統(tǒng)由不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時(shí)，能量差以光的形式輻射出來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)在PN結(jié)上加以正向電壓之后，P區(qū)的空穴注入至N區(qū)，N區(qū)的電子注入至P區(qū)，相互注入的電子與空穴相遇后即產(chǎn)生復(fù)合，這些少數(shù)載流子在PN結(jié)的注入和復(fù)合中產(chǎn)生輻射而發(fā)光。它是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。描述LED的特性有許多參數(shù)，這些參數(shù)之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線性。因此，用特性曲線來(lái)描述這些關(guān)系，在工程應(yīng)用中更具有使用價(jià)值。下面就以其主要的特性曲線作簡(jiǎn)單介紹。(1) LED的伏安特性LED的伏安特性與普通二極管類(lèi)似，只是開(kāi)始導(dǎo)通的正向電壓較大，大約在之間，

19、視不同的半導(dǎo)體材料而定，其特性曲線如圖2-3：圖2-3 LED的伏安特性曲線可以用以下公式描述： ()其中： m是符合因子，Is是反向飽和電流(MA)，e是電子電量，K是波爾茲曼常數(shù)，U是PN結(jié)電壓(V)，T是絕對(duì)溫度(K)當(dāng)LED兩端正向壓降超過(guò)門(mén)坎電壓時(shí)，LED開(kāi)始發(fā)光，發(fā)光的波長(zhǎng)取決于電子躍遷的能量差。實(shí)際上LED發(fā)出的光，不是單一波長(zhǎng)的光，而是某一波段的光，LED顯示屏三基色色純度越高，光譜分布越窄，合成的圖像顏色越自然。(2) 發(fā)光強(qiáng)度Iv與正向電流If的關(guān)系曲線總體上看發(fā)光強(qiáng)度是隨正向電流的增加而增加的，但不同半導(dǎo)體材料制成的LED器件，其發(fā)光強(qiáng)度L與正向電流I的變化關(guān)系有所不同。

20、圖2-4給出了由A-GaAsP(N)、B-GaP(N)和C-GaP(Zn-O)三種不同半導(dǎo)體材料制成的LED器件的電流與發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系曲線。圖2-4 LED發(fā)光強(qiáng)度與正向電流的關(guān)系一般的LED發(fā)光強(qiáng)度正比于電流的m次方，當(dāng)?shù)碗娏髅芏葧r(shí)，當(dāng)大電流密度時(shí)m=1?？梢?jiàn)，在大電流時(shí)光強(qiáng)隨電流增加，這個(gè)特性使LED在窄脈沖驅(qū)動(dòng)方式下，也可獲得較高亮度。 ()其中:K是一個(gè)常系數(shù)，I是正向電流。2.3 LED器件的驅(qū)動(dòng)原理11從LED器件的發(fā)光機(jī)理可以看出，當(dāng)向LED器件施加正向電壓時(shí)，流過(guò)器件的正向電流使其發(fā)光，因此LED的驅(qū)動(dòng)就是要使它的PN結(jié)處于正向偏置，其具體的驅(qū)動(dòng)方式有以下幾種：(1) 直流驅(qū)動(dòng)

21、直流驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法，就是通過(guò)穩(wěn)定電源，經(jīng)限流電阻為發(fā)光二極管LED提供電流的方法。這種驅(qū)動(dòng)方式雖然簡(jiǎn)單，但不能在LED顯示屏上使用。由于LED正向特性陡峭，加上組件參數(shù)的分散性，即使相同的電源，相同的限流電阻，每個(gè)LED的正向電流也不盡相同，導(dǎo)致LED器件的發(fā)光強(qiáng)度不同，亮度不均。這種驅(qū)動(dòng)方式適合于LED器件較少，顯示固定，發(fā)光強(qiáng)度恒定的情況。(2) 恒流驅(qū)動(dòng)恒流驅(qū)動(dòng)基本上克服了器件分散性的影響，由于三極管的輸出特性具有恒流的性質(zhì)，所以可采用晶體管驅(qū)動(dòng)LED，如圖2-5是用三極管進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)的原理圖，LED的導(dǎo)通電流與LED本身無(wú)關(guān)，取決于外部參數(shù)，其正向電流是： ()圖2-5 LED

22、恒流驅(qū)動(dòng)(3) 脈沖驅(qū)動(dòng)利用人眼的視覺(jué)惰性，采用向LED重復(fù)通斷的方式使其點(diǎn)亮，就是脈沖驅(qū)動(dòng)方式。脈沖驅(qū)動(dòng)的主要應(yīng)用有兩個(gè)方面：掃描驅(qū)動(dòng)和占空比驅(qū)動(dòng)。掃描驅(qū)動(dòng)的主要目的是節(jié)約驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)化電路。采用這種方式時(shí)應(yīng)該注意兩個(gè)問(wèn)題:脈沖電流幅值的確定和重復(fù)頻率的選擇。首先，要想獲得與直流驅(qū)動(dòng)方式相當(dāng)?shù)陌l(fā)光強(qiáng)度，脈沖驅(qū)動(dòng)電流的平均值I就應(yīng)該與直流驅(qū)動(dòng)的電流值相同。如圖2-6所示，平均電流Ia是瞬時(shí)電流i的時(shí)間積分，對(duì)于矩形波來(lái)說(shuō)，有如下表達(dá)式 ()圖2-6 LED的脈沖驅(qū)動(dòng) ()其中ton/T就是占空比的一種描述，為了使脈沖驅(qū)動(dòng)方式下的平均電流Ia與直流驅(qū)動(dòng)電流Io相同，就需要使它的脈沖電流幅值滿足：

23、()可見(jiàn)脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖電流的幅值應(yīng)該比直流驅(qū)動(dòng)電流大T/ton倍。其次是脈沖重復(fù)頻率的問(wèn)題，因?yàn)槿搜垡曈X(jué)暫留的特性，脈沖重復(fù)頻率必須高于24HZ，否則會(huì)感覺(jué)有閃爍現(xiàn)象。該系統(tǒng)采用的掃描驅(qū)動(dòng)方式，是通過(guò)數(shù)字邏輯電路，使若干LED器件輪流導(dǎo)通。LED顯示屏是將發(fā)光燈按行列布置的，在掃描驅(qū)動(dòng)方式下可以按行掃描，按列控制，也可以按列掃描，按行控制。所謂“掃描”的含義就是指一行一行地循環(huán)接通整行的LED器件，而哪一列的LED器件是否應(yīng)該點(diǎn)亮由所謂的列控制電路來(lái)負(fù)責(zé)。第3章 LED顯示屏及驅(qū)動(dòng)電路3.1 LED顯示屏屏體39LED顯示屏是以發(fā)光二極管為像素，由LED點(diǎn)陣顯示單元拼接而成的，不論是圖形還是

24、文字，都是控制組成這些圖形或文字的各個(gè)點(diǎn)所在的位置相對(duì)應(yīng)的LED器件發(fā)光。根據(jù)需要設(shè)計(jì)好合適的數(shù)據(jù)文件，每個(gè)LED發(fā)光器件占據(jù)數(shù)據(jù)中的一位，在需要該LED器件發(fā)光時(shí)數(shù)據(jù)中相應(yīng)的位填1，否則填0，這樣依照所需顯示的文字，按顯示屏的各行各列逐點(diǎn)填寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)，就可以得到滿意的顯示效果。LED點(diǎn)陣顯示單元有5X7，7X9，8X8等不同規(guī)格，前兩種主要用于顯示各種西文字符，后一種常用于顯示各種漢字字符，8X8點(diǎn)陣單元的外觀及等效電路圖如圖3-1所示。圖3-1 8X8點(diǎn)陣顯示單元從圖上可以看出，它的每一列均共享一根列線，每一行共享一根行線。當(dāng)相應(yīng)的列接高電平，行接低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管將被點(diǎn)亮。本次研

25、究的是由8X8的雙基色LED點(diǎn)陣顯示單元拼接而成的32行 X 256列的條屏，由128塊點(diǎn)陣顯示單元，按4 X 32塊的單元板(從廠家購(gòu)買(mǎi))方式組成。對(duì)LED顯示屏采用的是逐行動(dòng)態(tài)掃描的工作方式，由峰值較大的按窄脈沖驅(qū)動(dòng)，逐次不斷地對(duì)顯示屏各行進(jìn)行選通，同時(shí)又像各列送出表示圖形或文字信息的脈沖信號(hào)，反復(fù)循環(huán)，從而顯示各種圖像或文字信息。下面給出了一個(gè)簡(jiǎn)易字符顯示事例(該例是作者早期設(shè)計(jì)的基于51單片機(jī)的例子)：雙色LED單元板硬件組成及工作原理4常見(jiàn)的室內(nèi)雙色LED單元板電路框圖如圖1(a)所示。其中行掃描電路由2片74HC138(38譯碼器) 構(gòu)成的416譯碼器加上多個(gè) 4953(MOS管)

26、組成的，掃描方式為116。上下半屏分別由2組用 74HC595串行移位寄存器實(shí)現(xiàn)紅色、綠色顯示數(shù)據(jù)的列輸入，在圖 1(a)所示的64×32標(biāo)準(zhǔn)LED單元板中，每組串行移位寄存器中有 8個(gè)74HC595級(jí)聯(lián)，4組共用了32個(gè)74HC595。74HC595內(nèi)部電路框圖如圖1(b)所示。所有4組74HC595的控制信號(hào)RC K、SCK、EN全部接在一起。74HC595的控制信號(hào)和4組串行移位寄存器的輸入以及行掃描控制信號(hào)A、B、C、D構(gòu)成整個(gè)LED單元板的輸入；74HC595的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)后和4組串行移位寄存器的輸出以及行經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)的掃描控制信號(hào)A、B、C、D構(gòu)成整個(gè)LED單元板的輸 出，

27、用于級(jí)聯(lián)下一個(gè)LED單元板的輸入。雙色LED單元板等效電路框圖如圖1(c)所示。4.3.1 PLD簡(jiǎn)介PLD（Programmable Logic Device）是可編程邏輯器件的縮寫(xiě)，可編程邏輯器件是一種數(shù)字集成電路的半成品，在其芯片上按一定排列方式集成了大量的門(mén)電路和觸發(fā)器等基本邏輯單元，使用者可利用某種開(kāi)發(fā)工具對(duì)其進(jìn)行加工，即按設(shè)計(jì)要求將這些片內(nèi)的元件連接起來(lái)，此過(guò)程就是我們所說(shuō)的編程。當(dāng)設(shè)計(jì)者完成編程過(guò)程后，根據(jù)不同PLD器件的特點(diǎn)，共有兩種寫(xiě)入方式，一種是下載，一種是配置。當(dāng)芯片具有掉電保持功能時(shí)，設(shè)計(jì)者只需將設(shè)計(jì)文件寫(xiě)入PLD器件中，該器件就能夠永久保存設(shè)計(jì)內(nèi)容，這種方式我們稱(chēng)之為

28、下載。而不具有掉電保持功能的PLD器件，在停止供電后，寫(xiě)入的信息就會(huì)消失，變?yōu)閷?xiě)入前的空白芯片，因此需要另外一塊芯片（通常為E2ROM）來(lái)保存設(shè)計(jì)內(nèi)容，并且在每一次系統(tǒng)上電后，該P(yáng)LD器件還要自動(dòng)讀取E2ROM中的信息，這種方式我們稱(chēng)之為配置。經(jīng)過(guò)編程、下載/配置后，PLD器件就可以按設(shè)計(jì)者的要求完成某個(gè)邏輯電路或系統(tǒng)的功能，成為一個(gè)可在實(shí)際電子系統(tǒng)中使用的專(zhuān)用集成電路（ASIC-Application Specific Integrate Circuit）。隨著芯片技術(shù)的不斷提高，PLD器件的種類(lèi)也越來(lái)越多，目前應(yīng)用較為廣泛的PLD主要有CPLD和FPGA兩大類(lèi)。CPLD（Complex P

29、LD）是復(fù)雜可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA（Field Programmable Gate Arrary）是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。CPLD的結(jié)構(gòu)與SPLD（Simple PLD）類(lèi)似，只不過(guò)單個(gè)芯片上集成的門(mén)數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SPLD,也因此能夠?qū)崿F(xiàn)更大規(guī)模的邏輯功能。4.2 Altera的EP2C5T1445FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)與CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，F(xiàn)PGACPLD的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用IC芯片。這樣的FPGACPLD實(shí)際上就是一個(gè)子系統(tǒng)部件，這種芯片受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。經(jīng)過(guò)了十幾年的發(fā)展，許多公司都開(kāi)發(fā)出了多種可編程邏輯器件。比較典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的?？梢灾vAltera和Xilinx共同決定了PLD技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)然還有許多其它類(lèi)型器件，如：Latt