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超长LED显示屏驱动方式研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/21     浏览次数:    
    超长LED显示屏驱动方式研究
    摘要:在研究和分析现有各种LED显示屏控制系统及标准LED单元板的基础上,提出了一种利用LED显示屏单元板排列方式驱动超长LED显示屏的新方法,可最大限度地保证超长LED显示屏显示数据的双向高速输出。在LED显示屏单元板移位时钟给定的情况下,可使超长LED显示屏在水平方向的长度提高1倍。
    1。超长LED显示屏面临的问题
    所谓超长LED显示屏目前没有明确的定义,但根据市场上LED显示屏长度和控制卡的控制范围,将超长显示屏水平方向的扫描线长度定义为≥2048比较合适。在这个定义下以双色64×32点阵Ф5.0的标准单元板从各方面进行如下估算:
    )物理长度:一块单元板水平方向长0.5m(0.484m),水平方向单元板数为32(2048/64=32),LED显示屏水平方向长度为16m(32块×0.5m=16m)。
    )存储器的占用:如果高度为64点即2块双色单元板,此时一屏信息对应的显示存储器大小为色数×长度×高度÷单字节位数=2×2048×64÷8=32768byte。
    )延迟时间:如信号传输速率为3×105km/s,则长导线的延迟时间为16m/(3×105km/s)=53.3ns。
    若74HC595单个芯片的延迟时间为20ns[1],且一块单元板中串接了8块74HC595,则信号在整个LED显示屏单元板中沿水平方向的延迟时间为8×32块×μs[2]。

    图1所示为将LED显示屏1和屏2拼接成一个长的超长LED显示屏时,两张控制卡和同步控制卡放置的最佳相对位置。从图1中可看出同步控制卡离控制卡至少8m。在频率大于1MHz时,8m距离线间电容对信号的衰减已经不可忽视,如果需要的超长LED显示屏长度为64m及128m甚至更长时,图1所示控制卡放置方式对同步控制卡和连接线的要求会非常高。

    2。LED显示屏的双向排列方式
    在充分考虑LED显示屏外观特点的基础上,首先将图1中LED显示屏2和控制卡2作为一个整体,以中心为原点旋转180°,然后将控制卡1、控制卡2及同步控制卡合并为一个控制卡,结果如图2所示。图2中LED显示屏2均为倒置是为了强调LED显示屏2被旋转180°。
    现在控制卡的位置与LED显示屏1和屏2的连接距离均为0,而剩下的问题是如何组织显示数据和显示数据的输出方式。

    由于控制卡在LED显示屏的中间,正常情况下控制卡放置在LED显示屏的右侧,数据的移位方向为从右至左。现在的结果是LED显示屏1的数据移位方向为正常方向,而LED显示屏2的数据移位方向为从左至右。对于超长LED显示屏来说最重要的显示效果是水平的移动显示,而垂直方向的移动显示由于显示屏幕超长,不可能看到全部显示内容,一般来说意义不大。静态显示又是移动显示的一个特例,因此对于超长LED显示屏主要是研究水平移动时的数据组织和数据输出问题。


    3。数据组织与硬件实现
    通过图3来分析显示数据排列、扫描线以及水平移动时输出显示数据的变化规律[3]。
    在图3a中LED显示屏1和屏2均正常排列,其中①为起始位置,②为屏幕右移1次的位置,③为屏幕右移2次的位置,④为连续输出显示数据时LED显示屏和屏2第0行输出数据的顺序和长度。而在图3b中显示屏1正常排列,LED显示屏2旋转180°,其中①,②,③的含义与图3a相同,④为连续输出显示数据时显示屏1第0行和屏2第15行输出数据的顺序和长度。比较图3a和图3b的④可以得到以下结论:1)显示屏1数据排列和普通LED显示屏相同;2)屏2与屏1相比,原来的第0行变为第15行;3)屏2与屏1数据排列相比,除数据输出的先后顺序相反外其余相同。
    根据上述结论在设计硬件、数据组织及编程时做以下微调即可实现LED显示屏的双向驱动:1)硬件上保证扫描时LED显示屏1的第0行与屏2的第15行同时进行,采用标准1/16扫描的LED单元板组成显示屏,所以显示屏1和屏2间相同行扫描信号间隔为16条,可以用取模的方式获得行扫描信号。2)当LED显示屏1对应的存储器硬件地址计数器加1时,LED显示屏2对应的存储器硬件地址计数器减1,即LED显示屏1和屏2对应的存储器硬件地址计数器为二进制加1计数器;3)组织显示数据时屏1和屏2各独立对应一个存储器,并按整个显示区域组织显示数据;4)输出时显示屏和屏2按整个显示屏扫描线长度的一半输出。
    为了更清楚地表明显示数据的组织和输出间的关系,通过图加以说明。如图4a所示,显示区域的高度、长度分别为DH,DW,显示屏的高度、长度分别为LH,LW。由此可得:LED显示屏1对应的显示区域=显示区域-LED显示屏2终止位置区域,LED显示屏2对应的显示区域=显示区域-LED显示屏1起始位置区域。
    但实际为了简单起见,对整个显示区域组织显示数据,并以相同的地址同时存入地址RAM1和RAM2中。当需要显示的区域为①~④时,LED显示屏1以RAM1中①的位置为起点,以②为终点,输出长度为LW/2进行显示,此时RAM1地址加1连续输出显示数据,LED显示屏以RAM2中④的位置为起点,以③为终点,输出长度为进行显示,此时RAM2的地址减1连续输出显示数据。一般来说,对于一个双向驱动的LED显示屏以X为起点显示长度为LW的一屏信息时,LED显示屏1应从RAM对应的X开始至X+(LW/2-1)结束加1连续输出数据,而同时LED显示屏2应从RAM对应的X+LW开始至X+LW/2结束减1连续输出数据。
    图5为以51单片机为控制核心,辅助双RAM技术,实现双向驱动的电路原理框图。由于74F193(4位同步可预置二进制加法/减法计数器)的预置为负脉冲有效,所以其加法计数器和减法计数器的初值在预置选择、ALE以及相关的逻辑门控制下共同完成。同样两个在CS1,CS2及CS控制下可分别完成显示数据的读写。显示时CS1,CS2,RD,WR同时有效而CS无效,在单片机SPI时钟的上升沿作用下加法计数器和减法计数器同步加1和减1,SPI时钟的下降沿输出显示数据。即上升沿计数,上升沿至下降沿之间等待RAM输出数据稳定,下降沿输出稳定的显示数据。同时SPI读取时钟被复用位LED显示屏SCK信号,利用高速SPI方式,可以提高SCK速度。另外要注意计数器及外存芯片的读写速度必须与SPI时钟相匹配。器件读取速度越高,数据出错的几率越小。在测试中发现,存取时间为35ns的芯片与此模式匹配效果最好。

    实际电路中笔者采用RAMTRON公司的51系列单片机VRS51L3074,在使用内部振荡器时其SPI时钟可高达20MHz。如图6所示,使用致远LA5034逻辑分析仪的测量结果,SCK信号的频率测量结果约为20MHz。因此该电路可驱动的LED显示屏单向可达8192点[4],即双向16384点,垂直方向为单色128点双色64点。以单色64×32点阵Ф5.0的标准LED单元板进行拼接,其物理尺寸为:高度=0.242m×4=0.964m;长度=0.484m×(16384/64)=123.904m。


    4。小结
    本文创新点在于通过改变LED显示屏单元板排列的方式,提出了一种新的超长LED显示屏控制系统驱动方式,并给出了这种驱动方式的数据组织方法和实际硬件电路。这种方法的优点是在不提高LED显示屏单元板频率特性的前提下,使现有超长LED显示屏的长度增加一倍,同时也可利用这种方法在减小8倍显示长度的条件下实现8级灰度显示。有关双向超长LED显示屏控制系统的数据组织和硬件实现方法在其他如CRT和显示系统中的应用有待进一步研究和探讨。

参考文献:
[1] 廖晶晶 ,唐宁 ,李涛东.LED 显示屏驱动芯片的应用[J].电视技术 ,2007,31(8): 32-34.
[2] 张海燕,陆荣庆.LED 显示屏换帧频率的测试方法及程序[J].现代显示,2003(2):4-8.
[3] 王 孟,陈 林.基于 Proteus 的 Led 大屏幕的设计与仿真[J].微计算 机信 息 ,2008,6(1):233-235.
[4] 王飞,靳桅,邬芝权.LED 大屏幕输出电路的优化设计[J].液晶与显示,2008,23(1):102-105.笕
作者简介:
靳 桅 (1960-),副教授 ,主要从事嵌入式系统研究;

李 骐(1981-),硕士生,主要从事铁道信号、嵌入式系统方向研究;邬芝权 (1976-),讲师 ,主要从事嵌入式系统研究。


本文由 合肥LED电子显示屏 整理编辑。

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