LED显示屏的基本工作原理

1、LED 显示屏的根本工作原理是动态扫描。显示控制的过程是先从数据存储器读得字模数据，再通过单片机的串行口或并行口将数据写给LED 点阵片，然后再行扫描。动态扫描方案和静态显示方案相比节省驱动元件，但要求刷新频率高于50 Hz,以防止显示的图像或文字出现闪烁。由于刷新频率的限制，一片单片机能控制显示元件的片数是较少的。现在大屏幕 LED 显示屏的应用已越来越广泛。为了对成百、上千片的 LED 点阵片实现有序的、快速的显示控制，人们动了许多脑筋，双 CPU、双 RAM 的方案，FPGA的方案等 都获得了成功的应用；但是这些方案的显示控制过程还是先读后写。本方案另开思路：用一条读指令，将读和写合在一

2、步完成，可大大地提高显示控制的效率，且电路简单。1 LED 显示屏的工作原理LED 显示屏的根本工作原理是动态扫描。动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式， 常用的方式是行扫描。行扫描方式又分为8 行扫描和 16行扫描两种。在行扫描工作方式下，每一片 LED点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中一定有一片锁存器或移位寄 存器，用来锁存待显示内容的字模数据。在行扫描工作方式下，同一排 LED 点阵片的同名 行控制引脚是并接在一条线上的，共 8条线，最后连接在一个行驱动电路上；行驱动电路中也一定有一片锁存器或移位存放器，用来锁存行扫描信号。LED显示屏的列驱动电路和行驱动电路一般都采用单片机进行控制

3、， 常用的单片机是 MCS51系列。LED 显示屏显示的内容一般按字模的形式存放在单片机的外部数据存储器中， 字模是 8位二进制数。单片机对 LED 显示屏的控制过程是先读后写。按 LED 点阵片在屏幕上的排列顺序，单片机先对第 1排的第 1 片 LED 点阵片的列驱动锁存器，写入从外部数据存储器读得的字模 数据，接着对第 2片、第 3 片直到这一排的最后一片都写完字模数据后，单片机再对这一排的行驱动锁存器写行扫描信号，于是第1 排第 1行与字模数据相关的发光二极管点亮。接着第 2排第 1 行、第 3排第 1 行直到最后一排第 1 行的点亮。各排第 1 行都点亮后， 延时一段时间，然后黑屏，这

4、样就算完成了单片机对单片机对 LED 显示屏第 2行的扫描控制、第 制，其过程与第 1行的扫描控制过程相同。 对全部 也就完成了 1帧图像的完整显不虽然按这种工作方式，LED 显示屏是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但只要保 证每行每秒钟能点亮 50次以上，即刷新频率高于 50 Hz,那么由于人的视觉惰性，所看到 的 LED 显示屏显示的图像还是全屏稳定的图像。2 LED 显示屏的传统控制方法参考文献1对 LED 显示屏的控制电路作了归纳和比拟。其中，显示控制电路是按行 扫描方式工作的，列控制电路分为两大类。列控制电路中，一类是用74LS377 之类的芯片作为列驱动电路的锁存器，CPU通过并

5、行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据；另一类是用移位存放器 74LS595之类的芯片作为列驱动电路的锁存器，CPU通过串行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据。无论是并行总线的控制方式还是串行总线的控制方式，其工作过程都是先给数据指针 DPTR赋值，接着累加器 A按数据指针 DPTR的指向，从外部数据存储器 RAM 中读得字模 数据。然后，并行总线时，再给数据指针 DPTR赋值，接着 CPU将累加器 A中的字模数据， 按数据指针 DPTR 的指向，写给LED 点阵片列驱动电路的锁存器；串行总线时，CPU将累加器 A中的字模数据，通过串行口写给LED 点阵片列驱动电路的锁存器。一般显示控制中，使用

6、较多的单片机是 MCS51系列。假设单片机系统的晶振频率是12MHz，机器周期是 1上述两种控制方式完成 1片 LED 点阵片的显示控制都得十几&本文提出的高速控制方案，完成 1片 LED 点阵片的显示控制大约只要4按此推算，LED 显示屏的一行扫描控制。3 行的扫描控制 直到第 8行的扫描控8 行的控制过程都完成后，LED 显示屏1 片 MCS51系列的单片机，差不多可以对 600 多片 LED 点阵片进行显示控制。与传统的控制方法相比，显示控制的效率成倍提高。3 LED 显示屏的高速控制方案图 1 是高速控制方案 LED 显示屏电路原理。采用MCS51系列单片机对 LED 显示屏进

7、行控制；随机存储器62512 用作 LED 显示屏的数据存储器，存储待显示内容的字模数据；采用8 行扫描方式，多片 LED 点阵片共用 1 组行驱动电路；每片 LED点阵片都有一组列驱动电路，用74LS377 作为列驱动的锁存器，CPU通过并行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据；地址译码电路，用于产生 LED 点阵片行驱动 电路和列驱动电路的片选地址。图 1高速控制方案 LED 显示屏电原理本方案的特点有两个：第一，虽然 CPU还是通过并行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据，但是锁存器的锁存信号改用了CPU的控制信号 RD,而不是常规用法的 WR;第二，地址译码电路保证了 LED 点阵片列驱动

8、电路的片选地址和数据存储器的某一段的逻辑地址 是重叠的，而不是常规用法， 这两组地址必须分开。由于上述电路的一些简单更改，单片机对 LED显示屏的显示控制效率将发生明显的变化。具体工作过程如下：假定数据指针DPTR中已经装入了数据存储器的地址，执行指令“MOVXA, DPTR。这条指令的功能是CPU按 DPTR 的指向从外部数据存储器中读字模数据，读到累加器 A中；但是在本电路中，由于 LED点阵片列驱动电路的片选地址和数据存储器的某一段的逻辑地址是重叠的，也就 是说，在执行指令 “MOVXA, DPTR时，DPTR 除了指向外部数据存储器的某个地址外， 还选中了某一个 LED点阵片列驱动电路

9、的锁存器。如果此时被选中的这个锁存器的锁存引 脚正好有打入脉冲来到， 那么锁存器也就将从外部数据存储器送出的字模数据锁住了。这个打入脉冲用的就是 RD。RD 是 CPU在执行指令“MOVXA, DPTR 时向外部数据存储器发 出的读控制信号。由于 MCS51系列单片机的读控制信号 RD 和写控制信号 WR 的时序完全 相同2, RD 代替 WR实现锁存功能，当然也就没有什么悬念了。这条指令在执行时，在 完成对数据存储器读的同时，又完成了对LED 点阵片的写，因此加快了显示控制的过程。前面讲过，并行总线时 CPU完成 1 次向 LED 点阵片的列驱动电路的锁存器写字模数据的程 序过程，大约需要十

10、几vs而现在只要 4快多了，因为现在完成 1次向 LED 点阵片的列驱动电路的锁存器写字模数据的程序过程只要两步，首先给数据指针DPTR赋有效地址，接着 CPU按 DPTR的指向从外部数据存储器中读字模数据，与此同时也将字模数据传给了 LED 点阵片列驱动电路的锁存器。2 条指令，4个机器周期，4这里要补充说明一点，在编制全部 LED点阵片列驱动电路的锁存器写字模数据的程序时，不要用循环指令，因为 那样每次过程又得增加 2要采用对 LED点阵片逐片编程的方法，这样编出来的程序虽然占空间，但节省了时间。用空间换时间的设计方法，有时也是设计人员值得尝试的一种方法。本电路的行驱动锁存器的锁存控制，还

11、是用 CPU的写控制信号 WR,不作更改。行驱动锁存器的片选信号也来自地址译码电路。为了防止数据存储器和LED 点阵片之间的相互干扰，与这组地址对应的数据存储器的这局部存储空间就不用它了。地址译码电路的设计，应保证 LED 点阵片列驱动电路的片选地址和数据存储器的某一段的逻辑地址是重 叠的。具体设计举例如下：假定某一块 LED 显示屏用了 240 片 LED 点阵片，可显示16刈 6的汉字 60个，用 1片 MCS51系列单片机进行高速控制。这 240 片 LED 点阵片列驱 动电路的片选地址就应有 240个，地址译码电路必须保证译码后的有效地址大于这个数量。 图 1 中的地址译码电路， 输入

12、的地址信号是 A0A7和 A11A15 ,没有接入 A8、A9、A10。 用 74LS138 译码器，三级译码后可得到256 根有效地址线，第 1 根有效地址线对应外部数据存储器的 8 个地址：0000H、0100H、0200H、0300H、0400H、0500H、0600H、0700H。 第 2 根有效地址线对应外部数据存储器的8 个地址：0001H、0101H、0201H、0301H、0401H、0501H、0601H、0701H。第 256 根有效地址线对应外部数据存储器的8 个地址：00FFH、01FFH、02FFH、03FFH、04FFH、05FFH、06FFH、07FFH。这 25

13、6 根有效地址线，240 根 给列驱动电路的片选地址，余下的给行驱动电路的片选地址；如果不够用，行驱动电路可考虑改为串行总线的方式进行控制。上述分析结果说明，1 片 LED 点阵片的 I/O接口地址和数据存储器的 8个字节的地址建立了重叠关系。这是因为每片LED 点阵片都有 8 行，每行都对应 1个字节的字模数据。上述分析结果还说明，全部 LED 点阵片的 I/O接口地址和数据存储器的 0000H07FFH 地址段建立了映射关系。数据存储器 0000H07FFH中存放 的正好是一帧图像的全部字模数据。4 高速控制方案在 LED 显示屏中的应用现在商业上用的大屏幕 LED 显示屏，用到的 LED

14、 点阵片成百、上千甚至几千片。单片机对 LED 显示屏的控制，包括单片机与PC机的通信、字模数据的数据处理以及显示控制三个局部。1 片单片机要与 PC机通信，又要进行数据处理，还要进行显示控制，肯定是忙不过来的。为了解决大屏幕 LED 显示屏的控制问题，许多文献都对控制方案作了成功的设计。不少方 案36:的根本思路是数据处理由一片单片机完成，显示控制由另一片单片机或一个专门设计的电路完成。这些方案的控制效率虽然很高，但是电路比拟复杂。图 2数据存储器分段选择开关电路本方案的根本思路是，单片机与PC机的通信、数据处理及显示控制都由1片单片机完成。显示控制采用本文提出的高速控制方案，电路简单，而且

15、显示控制的效率很高。例如， LED 点阵片采用常用的 6 cm X6 cm外廓尺寸的 LED 点阵片时，屏幕面积小于 2 m2 时，1 片 MCS51 系列单片机就可以完成。但是，高速控制方案用于大屏幕LED 显示屏，还有一些问题要解决：1单片机与 PC机的通信问题。大屏幕 LED 显示屏与 PC 机连接时，PC机用来编辑待 显示的内容，并将内容传给大屏幕 LED 显示屏中的单片机。PC机与单片机通信时， 不会干 扰显示屏的工作。因为显示屏工作时， 是一场一场显示的， 场与场之间有黑屏的时间， 利用 黑屏的时间进行通信完全没有问题。2增加显示场次的问题。大局部显示屏的工作方式是，显示的内容一场、一场、又一场，如此循环。前面的设计只考虑了显示一帧图像时，LED 点阵片的 I/O接口地址和数据存储器的一段建立映射关系的问题，因此只能显示一场定格的图像。在图 1的根底上增加图 2,可以使 LED点阵片的 I/O接口地址和数据存储器的多段建立映射关系。工作时，由 P1 口控制多路开关，切换数据存储器的不同段和LED 点阵片的 I/O接口地址映射，于是显