LED大屏幕控制电路设计方案研究

　　摘要：在综合分析LED大屏幕显示系统设计中控制电路的诸多设计方案的基础上，分别给出了以单片机、可编程逻辑器件和嵌入式计算机技术为控制核心的不同设计方案的实现方法，对这几种方案的特点进行了比较，并介绍了应用情况。

　　LED点阵是公共信息的一种重要显示终端，其中大屏幕LED点阵显示屏在许多场合得以应用。大屏幕显示技术比中小屏幕显示难度更大，因为其屏幕大，LED点数多， 而又要在极短时间内刷新每个点，这就要求其扫描速率必须非常高，此外，大屏幕作为信息发布的重要媒介，对其稳定性、可靠性以及可扩展性要求都很高，只有设计合理的控制电路才能满足上述要求。本文着重讨论LED大屏幕设计中控制电路的几种设计方法，针对不同的设计要求给出了不同的解决方案。

　　1 LED大屏幕系统的工作原理

　　典型的LED大屏幕显示系统主要由信号控制系统﹑扫描和驱动电路以及LED阵列组成，系统结构如图1所示。目前大多数LED显示屏的屏幕设计采用的是模块化的结构，它的基本单元是LED显示单元模块，屏幕大小和形状可灵活改变，显示屏的安装和维护也十分方便。

　　图1 系统原理框图

　　信号控制系统是微机系统﹑单片机系统﹑微机Z单片机主从控制系统﹑可编程逻辑器件控制系统、红外遥控系统﹑传呼接收与控制系统等等。信号控制系统的任务是生成或接收LED显示所需的数字信号，并控制整个LED显示系统的各个部件按一定的分工和时序协调工作。行驱动电路多为三极管阵列，给LED提供大电流。列驱动由串入并出移位寄存器和锁存器（或带锁存功能的移位寄存器）构成。

　　待显示数据就绪后，控制系统首先将第一行数据送入移位寄存器并锁存，然后由行扫描电路选通LED阵列的第一行，点亮一段时间后，再以同样方法显示后续行，直至完成一帧的显示内容，如此循环往复。根据视觉暂留的原理，能够实现24f/s的显示才能够让肉眼没有明显的停顿感，相当于响应时间要达到，40ms以下。当LED显示屏面积很大时，传输的数据量也非常大，从而增加了显示系统的响应时间引起闪烁，为提高视觉效果，可以分区并行显示。

　　在高速动态显示时，LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间成正比，所以通过调制LED的发光时间与扫描周期的比值（即占空比）可以实现灰度显示。

　　2 LED大屏幕控制电路的设计

　　控制电路的设计是大屏幕系统设计的核心，控制电路设计包括信号控制系统、扫描电路和驱动电路的设计，控制电路的设计一般由数据存储器、数据缓存器、计数器﹑同步控制器﹑读写控制器﹑主从控制器、地址控制器、帧存储器﹑数据选择器、灰度调制器、移位寄存器等构成。目前来说，LED显示屏控制电路设计广泛采用两类器件作为其控制核心来实现，一类是单片机控制系统，另一类是可编程逻辑器件。

　　2.1 基于单片机的控制电路设计方案

　　基于单片机的控制电路主要有两种方案，一种是一片单片机作为主控器件控制和协调大屏幕整个显示系统的显示，一种是多片单片机构成多处理器，其中一片作为主CPU，其它作为子CPU 一起控制大屏幕的显示。

　　图2 是采用单片CPU 设计的控制电路机构示意图，用89C52单片机作为控制核心。单片机接收从PC机或其他信息源发送来的显示数据，存储在Flash中，同时用RAM 6264作为场显示缓存区，以实现不同显示播出方式。89C52控制切换开关C1，C3和C2，C4同时对帧存储器A，B交替进行数据的读写操作，将读出的数据进行并行5串行转换送给显示屏进行显示刷新。其中，自动地址生成器由4个计数器串联构成，并配以振荡电路提供计数时钟，对于一个M×N个像素的单色屏，当刷新频率为60Hz时，计数频率为M×N×60Hz对于多灰度级彩色大屏幕，数据送到显示屏之前要进行灰度调制重现图像的色彩，对数据的处理速度要求更高，采用单片机控制可能在速度上无法满足要求。

　　图2 单片CPU控制电路结构示意图

由于目前很多单片机的I/O口具备了15mA以上的驱动能力且价格比较便宜，因此在大屏幕的设计中也采用多处理器方案。系统的基本特点是：一个显示组中有多个处理器，包括一个主CPU和多个子CPU，其结构示意图如图3 所示。主CPU的任务是通过数据采集或与外界通信等获取显示信息，再传输给子CPU，主CPU还负责行扫描和发送显示同步信息等。子CPU接收主CPU的数据信息并存放到内部RAM.中，再根据主CPU发出的控制信息选择适当的列输出口进行列扫描。假设每个子CPU可用作输出口的最多引脚数为m，而每块LED矩阵的列数为n，则每块芯片所能驱动的LED块最大数为m/n 这样，每个单片机负责