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LED顯示屏動態顯示和遠程監控的實現

 摘  要：由于普通LED點陣顯示屏動態顯示通常采用硬件掃描驅動，這在一些需要特殊顯示的場合顯得不夠靈活。文中提出了一種利用PC機和單片機的通訊來實現顯示屏靈活的動態顯示和遠程監控的設計方法，同時該方法還可以將顯示內容在PC機上進行預覽。  
    關鍵詞：LED；動態顯示；遠程控制；顯示預覽  
1引言
    LED 點陣電子顯示屏是集微電子技術、計算機技術、信息處理技術于一體的大型顯示屏系統。它以其色彩鮮艷，動態范圍廣，亮度高，壽命長，工作穩定可靠等優點而成為眾多顯示媒體以及戶外作業顯示的理想選擇。同時也可廣泛應用到軍事、車站、賓館、體育、新聞、金融、證券、廣告以及交通運輸等許多行業。
目前大多數的LED點陣顯示系統自帶字庫。其顯示和動態效果（主要是顯示內容的滾動）的實現主要依靠硬件掃描驅動，該方法雖然比較方便，但顯示只能按照預先的設計進行。而實際上經常會遇到一些特殊要求的動態顯示，比如電梯運行中指示箭頭的上下移動、某些智能儀表幅值的條形顯示、廣告中廠家的商標顯示等。這時一般的顯示系統就很難達到要求。另外，由于受到存儲器本身的局限，其特殊字符或圖案也往往難以顯示，同時顯示內容也不能隨意更改。本文提出一種利用PC機和單片機控制的LED顯示系統通訊方法。該方法可以對顯示內容（包括漢字和特殊圖符）進行實時控制，從而實現諸如閃動、滾動、打字等多種動態顯示效果。該方法同時還可以調節動態顯示的速度，同時用戶也可以在PC機上進行顯示效果的預覽，顯示內容亦可以即時修改。另外，通過標準的RS232／485 轉換模塊還可以實現對顯示系統的遠程控制。
2系統硬件設計
    本 系統主要的硬件設計是下位機單片機的顯示 控制部分。而上位機（PC機）與單片機顯示控制部分的接口為標準RS232通訊方式。若需實現遠程監控，只需增加RS232／485轉換模塊即可，該部分已有成熟的電路設計，故不再詳細敘述。
具體的LED顯示屏控制電路如圖1所示。整個電路由單片機89C52、點陣數據存儲器6264、列驅動電路ULN2803、行驅動電路TIP122、移位寄存器4094及附屬電路組成。該電路所設計的電子屏可顯示10個漢字，需要40個8×8 LED點陣模塊，可組成16×160的矩形點陣。由于AT89C52僅有8k存儲空間，而顯示的內容由PC機控制，因此不可能預先把需要顯示的內容做成點陣存在單片機中，而只能由PC機即時地把所需顯示的點陣數據傳給單片機并存入緩沖區6264。
該電路的顯示采用逐行掃描方式。工作時，由單片機從緩沖區取出*行需要顯示的20字節點陣數據，再由列點陣數據輸入端P1．2口按位依次串行輸入至列移位寄存器，其數據輸入的順序與顯示內容的順序相反。然后置行點陣選通端P1．3為1，即置行移位寄存器的D為高電平，STR使能（所有4094的OE 引腳接＋5V電平），從而使列移位寄存器中的數據同時并行輸出以選通該行。經延時一段時間后再進行下一行點陣數據的顯示。需要注意的是，每次只能選通一行數據，即要通過不斷的逐行掃描來實現漢字或字符的顯示。
3顯示與控制的設計
    在筆者設計的PC機控制多單片機顯示系統中，用PC機實現的主要功能包括單片機顯示子系統的選擇，顯示方式選擇（包括靜態、閃動、滾動、打字等），滾動方向選擇（包括上下滾動和左右滾動），動態顯示速度調節（即文字閃動頻率、滾動速度、打字顯示速度等），顯示內容輸入及顯示預覽等。單片機一般通過 RS232／485串行接收PC機發出的顯示指采用定時器中斷方式進行行掃描，每次中斷顯示一行，定時中斷時間為1．25ms，這樣整屏的刷新率為 50Hz，因而無閃爍感。

實現動態顯示速度調節的方法通常是改變定時器的中斷時間，但是當顯示速度很慢的時候，該方法容易使整屏的刷新率降低，從而使顯示內容出現閃爍。因此，本設計采用一種“軟定時”方法，即在程序中命名一變量作為“軟定時器”，以用來設定兩次動態顯示的時間間隔。在對定時中斷調用計數時，如果調用次數達到設定值，則改變顯示內容。為保證能夠正常顯示，“軟定時器”的設定值必須大于整屏顯示周期。由于顯示屏每行顯示1．25ms，整屏顯示周期為20ms，考慮到余量的情況，可將軟定時器的設定值定在大于30ms。如此循環計數，即可實現動態顯示。“軟定時器”的設定值可以通過上位機PC機來改變，這樣既可實現 LED動態顯示的速度調節，又可保持顯示內容的流暢和無閃爍感。
3．1單片機動態顯示控制
以上提到的靜態、閃動、滾動和打字等4種顯示方式，實際上是單片機定時中斷程序進行行掃描處理的不同方法。下面將分別說明如何實現這4種顯示方式。
靜態顯示只需在定時中斷處理程序中從顯示緩沖區調入相應的一行顯示數據，然后選中該行即可實現該行的顯示，如此循環，便可顯示整個內容。閃動顯示與此類似，不同的是要間隔一個“軟定時器”的定時時間，在行掃描時，行移位寄存器的D端打入的全為0，可使得整屏不顯示，以確保黑屏時間與顯示時間相等，從而實現漢字或圖符的閃動顯示。
    滾動顯示要求需要顯示的內容每隔一定時間向方向（這里以從右向左為例）移動一列，這樣顯示屏可以顯示更多的內容。為此，需要在下次移動顯示之前對顯示緩沖區的內容進行更改，從而完成相應點陣數據的移位操作。具體操作方法是：
    設置一個顯示緩沖區（如圖2所示），該區應包括兩部分：一部分用來保存當前LED顯示屏上顯示的10個漢字點陣數據；另一部分為點陣數據預裝載區，用來保存即將進入LED顯示屏的1個漢字的點陣數據。滾動指針始終指向顯示屏的zui右邊原點。當滾動指針移動到需要顯示的點陣數據存儲區的第1個漢字的首地址時，顯示緩沖區LED顯示區為空白，而預裝載區已保存了第1個待顯示漢字的點陣數據。當需要滾動顯示時，則可在接下來的掃描周期的每個行掃描中斷處理程序中，將對顯示緩沖區的相應行點陣數據左移一位，同時更改顯示緩沖區的內容。（需要注意的是，要確保該操作能在1．25ms的中斷時間內完成。這里89C52采用22MHz晶振，實驗證明可以實現該操作）。這樣，在一個掃描周期后，整個漢字將左移一列，而顯示緩沖區的內容也同時更改。由于預裝載區保存了1個漢字點陣數據，即16×16點陣，所以當前顯示緩沖區的內容只能移動16列。當下一個滾動到來時，滾動指針將移動到點陣數據存儲區的下一個漢字的首地址，并在預裝載區存入該漢字的點陣數據。然后重復執行上述操作便可實現滾動顯示。特殊字符或圖形的顯示與此類似，這里不再贅述。

打字顯示要求漢字在顯示屏上按從左到右的順序一個個的出現，如同打字的效果。設計時可采用如下方法：首先將LED顯示屏對應的顯示緩沖區全部清零，即 LED顯示空白，然后每間隔一個“軟定時器”設定的動態顯示時間，顯示緩沖區依次加入一個漢字點陣數據并進行掃描顯示，這樣就可達到打字顯示的效果。
3．2 PC機控制程序
    a．通訊功能的實現
在Windows環境下，實現PC與單片機的通訊可利用Windows的通訊API函數或者利用VC＋＋（或其它語言）的標準通訊函數＿inp、＿outp來實現。但上述兩種方法比較繁瑣，而采用ActiveX控件MSComm32來實現則非常方便。該控件用事件的方式簡化了對串口操作的編程，并可設置串行通信的數據發送和接收，還可對串口狀態及串口通信的信息格式和協議進行設置。其初始化程序如下：

一般情況下，PC要與多個單片機89C51系統進行主從式通訊，為了區分各單片機系統，可以使89C51采用串口工作方式3，即11位異步接收／發送方式，該方式的有效數據為9位，其中第9位為地址／數據信息的標志位，其作用是使從機據此判斷發送的數據是否為地址，從而實現多機操作。但現在由于采用的是MSCOMM控件來實現PC機和單片機之間的通訊，這是一種標準的10位串口通信方式，即8位標準數據位和該數據的起始位、停止位各1位。因此二者格式不相符，故很難利用上述方案。因此可考慮將單片機串口設為工作方式1，即改為10位異步接收／發送方式來解決，其通訊流程如下：
首先發通信開始標志，接著發送需要操作的單片機系統地址，然后發送顯示工作命令字，該命令包括2個字節，前一字節用于設定顯示方式和滾動方向，后一字節則用于設定顯示速度。再往下是傳送顯示內容的點陣數據，zui后對數據進行校驗。該通訊規約非常簡便，能夠較好的解決上述問題，從而實現PC機與多單片機之間的主從式通訊及對顯示的控制。
需要注意的是，當顯示內容需要改變時，為了避免在單片機串行中斷接收數據時，顯示屏出現亂碼，應使顯示屏暫不顯示（處于“黑屏”狀態），直到數據接收*，串行中斷處理結束時再顯示。
漢字字模的提取非常關鍵，本文的字模數據取自UCDOS下的字庫文件HZK16。關于這方面的介紹較多，文獻［2］給出了較為具體的在VC下提取漢字字模的方案，這里不再贅述。對于特殊字符或圖形點陣數據的提取，簡便的方法可以先做一個BMP文件，然后用一些取模軟件（如字模提取v2．1）來獲得。為了顯示方便，點陣數據的格式應為n×（16×8），不足要求的則應以0數據補充。 b．動態效果模擬顯示
為了方便調節LED的顯示效果，筆者在PC機的控制界面上設計了LED顯示屏的模擬顯示，它同實際的顯示效果*一樣。用戶可以設定顯示的模式，并調節顯示速度，然后在界面上對顯示效果進行預覽，同時還可以隨時修改和設定參數，因而十分方便簡捷。
為此，可先在界面上描繪出虛擬的LED顯示屏，由于實際的顯示屏為160×16點陣，故須在界面 上設定相同的區域。
實現動態顯示效果的方法和以上幾種基本類似，這里以滾動顯示為例作一說明。對于需要滾動的文字，可以將其設置為位圖格式，暫存于內存中，然后利用VC 提供的位圖拷貝函數BitBlt將位圖復制到顯示位置。對于特殊字符或圖形，則可以直接利用BitBlt函數調用到顯示位置。然后在類CLEDDlg的 OnTimer函數中調用該函數，以實現文字的滾動顯示。另外，也可以通過設定不同的響應時間間隔來改變文字的滾動速度。
 
漢字顯示屏廣泛應用與汽車報站器，廣告屏等。本文介紹一種實用的漢字顯示屏的制作，考慮到電路元件的易購性，沒有使用8*8的點陣發光管模塊，而是直接使用了256個高量度發光管，組成了16行16列的發光點陣。同時為了降低制作難度， 僅作了一個字的輪流顯示，實際使用時可根據這個原理自行擴充顯示的字數。
1漢字顯示的原理：
我們以UCDOS中文宋體字庫為例，每一個字由16行16列的點陣組成顯示。即國標漢字庫中的每一個字均由256點陣來表示。我們可以把每一個點理解為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素 范圍內的任何圖形。
用8位的AT89C51單片機控制， 由于單片機的總線為8位，一個字需要拆分為2個部分。
軟件打開后輸入漢字，點“檢取”，十六進制數據的漢字代碼即可自動生成，把我們所需要的豎排數據復制到我們的程序中即可。
   我們把行列總線接在單片機的i0口，然后把上面分析到的掃描代碼送入總線，就可以得到顯示的漢字了。 在這個例子里，由于一共用到16行，16列，如果將其全部接入89c51
單片機， 一共使用32條io口，這樣造成了io資源的耗盡，系統也再無擴充的余地。 實際應用中我們使用4-16線譯碼器74ls154來完成列方向的顯示。 而行方向16條線則接在
p0口和p2口。
程序清單：
ORG  00H
LOOP: MOV A,#0FFH ；開機初始化，清除畫面
MOV P0,A    ；清除P0口
       ANL P2,#00   ；清除P2口
MOV R2,#200  
D100MS: MOV R3,#250 ；延時100毫秒
       DJNZ R3,$
       DJNZ R2,D100MS
       MOV 20H,#00H ；取碼指針的初值
l100:    MOV R1,#100 ；每個字的停留時間
L16:    MOV R6,#16 ；每個字16個碼
       MOV R4,#00H ；掃描指針清零
       MOV R0,20H ；取碼指針存入R0
L3:    MOV A,R4   ；掃描指針存入A
       MOV P1,A   ；掃描輸出
       INC R4      ；掃描指針加1，掃描下一個
       MOV A,R0   ； 取碼指針存入A
       MOV DPTR,#TABLE ；取數據表的上半部分的代碼
       MOVC A,@A+DPTR
       MOV P0,A   ； 輸出到P0
       INC R0      ；取碼指針加1，取下一個碼。
       MOV A,R0
       MOV DPTR,#TABLE ；取數據表下半部份的代碼
       MOVC A,@A+DPTR
       MOV P2,A          ；輸出到P2口
       INC R0
MOV R3,#02        ；掃描1毫秒
DELAY2:  MOV R5,#248    ；
       DJNZ R5,$
       DJNZ R3,DELAY2
       MOV A,#00H     ；清除屏幕
       MOV P0,A
       ANL P2,#00H    
       DJNZ R6,L3       ；一個字16個碼是否完成？
       DJNZ R1,L16      ；每個字的停留時間是否到了？
       MOV 20H,R0      ；取碼指針存入20H
       CJNE R0,#0FFH,L100 ；8個字256個碼是否完成？
       JMP LOOP ；反復循環
     
 TABLE :
；漢字“倚”的代碼
db 01H,00H,02H,00H,04H,00H,1FH,0FFH
db 0E2H,00H,22H,00H,22H,0FCH,26H,88H
db 2AH,88H,0F2H,88H,2AH,0FAH,26H,01H
db 63H,0FEH,26H,00H,02H,00H,00H,00H
；以下分別輸入天，一，出， 寶，刀，屠，龍，的代碼，略。
end
  電路中行方向由p0口和p2口完成掃描，由于p0口沒有上拉電阻，因此接一個4.7k*8的排阻上拉。 如沒有排阻，也可用8個普通的4.7k 1/8w電阻。為提供負載能力，接16個2n5551的NPN三極管驅動。
列方向則由4—16譯碼器74LS154完成掃描，它由89C51的P1.0---P1.3控制。同樣，驅動部分則是16個2N5401的三極管完成的。
電路的供電為一片LM7805三端穩壓器，耗電電流為100Ma左右。
采用一塊12*20cm的*電路板，應當選用質量好些的發光管，（否則有壞點現象， 更換起來較麻煩）首先將256個發光管插入電路板，注意插入方向，同時使高度*，行方向直接焊接起來， 列方向則搭橋架空焊接，完成后用萬用表測試一下如有不亮的更換掉。
    然后找一個電腦硬盤的數據線，截取所需的長度，分別將行，列線引出至電路的相關管腳即可。原理圖為了簡潔，故只畫出了示意圖，行列方向只畫出了2個三極管，屏幕只畫出4個發光管， 實際上發光管為256只，三極管行列方向各16只，一共32只。焊接過程認真仔細一天時間即可完成全部制作。將程序編譯后燒寫入89c51, 插入40pin Ic座，即可看到屏幕輪流顯示：“倚天一出寶刀屠龍”。
    當然，你可將程序的漢字代碼部分更換為您所需要的代碼即可顯示你所需要的漢字
元件清單：
名稱
數量
規格
4．7k 1/8w
32
電阻
4.7k*8排阻
1
 
2n5551
16
小功率NPN三極管
2n5401
16
小功率PNP三極管
led
256
3mm白發紅高亮度
22P
2
瓷片電容
10uf/50v
1
電解電容
100uf/25v
2
電解電容
AT89C51
1
或AT89S51
40pin Ic座
1
插89c51用
12M
1
晶體
74LS154
1
或74HC154
LM7805
1
穩壓IC
電源插座
1
 
穩壓電源
1

LED顯示屏用電源的設計
林建偉，李震
西安普聲電信有限責任公司，陜西西安710043
1引言
   LED顯示屏是一種迅速發展起來的新型信息顯示媒體。隨著我國經濟的不斷發展,已被廣泛應用于車站、賓館、銀行、醫院等公共場合。顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來給顯示屏發光二極管提供必要的工作電流，保證屏體正常顯示。為簡單起見，通常采用由一小功率電源帶3到4個顯示驅動板的供電方案。這樣,一個較大面積的顯示屏需要配接許多電源模塊，例如一個2m×1.5m的屏體，就需要提供24個5V/20A的模塊電源。該設計存在以下的缺點。
   1）接線復雜每一個電源均需單獨地配置交流輸入線、直流輸出線。
   2）電源冗余度差在大多數情況下，屏體顯示內容為文字、動畫、圖片，每個顯示驅動板消耗的電流不一樣，可能某些電源模塊過載，而另一些模塊空載。此外，若某一電源失效，會造成屏體的一部分黑屏。
   3）電源過載能力差，利用率低屏體在工作時消耗的電流隨畫面的內容、顏色、亮度而變化，大部分時間電流較小，而大面積高亮度的畫面雖消耗電流大，但持續時間短。考慮到LED是恒流驅動的，只要驅動板可正常工作，供電電壓可以降低一些。電源有下拖形狀的限流特性，而不是通常的較陡峭形狀的限流特性，以保證有較好的過載能力、較高的利用率。
   考慮到以上各點，提出新的供電方案如下：
   1）集中供電，采用n＋1冗余方案。
   2）電源模塊設計適當的輸出電流，模塊可均流。保證屏體裝配工藝易實現n＋1冗余。
   3）電源模塊有下拖形狀的限流特性以保證有較好的過載能力、較高的利用率。
   4）電源模塊有扁平的外形，自然散熱，易于在屏體上安裝，并利用屏體散熱。
   5）電源模塊帶APFC，減小對電網的干擾，適應電網的波動。
2電路設計
   采用集中供電方案可避免分散供電的缺點，但要求電源的可靠性更高，否則電源一旦失效會造成整屏的黑屏，而不是部分黑屏。提高電源可靠性的zui積極的辦法為提高變換效率，減少發熱量，同時選用可靠性高的線路與器件。
2．1AC/DC電路設計
   傳統的AC/DC全波整流電路采用的是整流＋電容濾波電路。這種電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，輸入交流電壓的波形是正弦的，但輸入電流的波形發生了嚴重的畸變，呈脈沖狀。由此產生的諧波電流對電網有危害作用，使電源輸入功率因素下降。在本設計中整流電路部分采用有源功率因數校正電路(APFC),避免了上述缺點。其電路如圖1所示。