LED 大屏幕顯示器由于其醒目、內容靈活多變等特點，已經越來越多地應用于廣告、信息發布、交通指示等公共場所，取得了良好效果。LED顯示屏主要分為數碼顯示和點陣顯示兩大數，本文只討論點陣顯示。目前的LED顯示屏基本上都是先由用戶提出要求，生產廠這根據需要訂做，每次都要重復設計電路和機械結構，造成資源浪費，而且若用戶的需求改變，改動將十分困難。

實際上不論顯示屏的大小，其原理都是相同的，因此完全可以設計出一種標準化、模塊化的LED顯示屏，會對不同的需要，只需要得意組合相應的模塊即可。本文介紹的就是一種模塊化的LED顯示屏，可以根據需要靈活改變大小，并可以脫離計算機獨立運行，還可以實現如閃爍、滾動顯示等特效。對整體式顯示屏刷新率不足發生閃爍的常見問題，在這個設計中由于被分割成小模塊，不再成為問題。

1 基本原理

基本的設計思路是把整個顯示屏分成若干相同大小、相同功能的顯示模塊，而另外用一個中央控制模塊控制，同步所有顯示模塊的運行，實現整體協調的顯示。

所以本系統主要由兩部分組成：顯示模塊和控制模塊。

顯示模塊實際都是相同大小的小LED驅動板，能夠驅動LED陣列，具有基本的顯示功能，并可以接收來自控制模塊的數據和命令，此外一些常用的顯示效果如閃爍、滾動等也包括在顯示模塊中。現有國標點陣漢字庫有16×16和24×24兩種，考慮到軟件編寫的方便和硬件的能力，我們把顯示模塊作為16× 16點陣大小。

控制模塊負責控制各顯示模塊，向各顯示模塊發送數據和命令。控制模塊儲存要顯示的點陣數據信息，定時向各顯示模塊下傳?？刂颇K上還帶有小鍵盤和通用異步串行口，即可以用鍵盤操作，也可以用計算機控制，還可以用計算機更新控制模塊內的數據。

顯示模塊和控制模塊之間用總線的方式連接，我們選用了I2C總線。

整個系統的設計使用有很大的自由度：控制模塊控制的顯示模塊數量可以改變，顯示模塊的排列方式也可以改變（如16個顯示模塊，既可以是2×8也可以是4× 4），對同一塊顯示屏可以保存若干條件用信息分別顯示，每條信息的點陣大小可以不同，超過屏幕大小的信息可以滾動顯示出來。這樣基本可以滿足多種多樣的需求。

2 電路結構

控制模塊的原理如圖1所示。

采用PIC16C73作為中央控制器。該單片機內置I2C接口、串行口，而且具有比較強的口線驅動能力（每根口線25mA），使用它可以簡化很多外圍電路。

數據存儲使用兩片EEPROM：X24256共提供64K字節的數據空間，可以反復擦除重定民，掉電數據不丟失。如果全部用來顯示16×16點陣的漢字，可以顯示2000個左右。數據存儲器與各個顯示模塊共用I2C總線，依靠各自的地址區分究竟是存儲器還是顯示模塊。

小鍵盤外接4個限流電阻直接接到CPU的口線上，對鍵盤采用4×4掃描方式。

控制模塊與計算機的連接使用RS232串行口，用一片MAX202做電平轉換。

此外控制模塊還帶有一個光強度傳感器，其作用是調節顯示屏的亮度。由于白天和夜晚的環境光強差異很大，白天覺得合適的亮芳到了晚上可能會很刺眠，因此根據外界的光強使用這個傳感器自動調節顯示屏的度。這里使用的是TI公司的TLS235光頻轉換元件。

每個顯示模塊要驅動一塊16×16的LED陣列，由于單片機的口線數量少，使用靜態顯示是不可能的，這里使用了動態掃描顯示。考慮到刷新速度的因素，使用16行掃描刷新可能會有閃爍，所以使用8行掃描、32位數據的方式。

每條數據線每個時刻只對應一個發光單元，要求電流較小;而當顯示屏全開的時候，8路共陽極掃描線將會對應32個發光單元，電流要求大，所以兩端的驅動電路是分別設計的。數據線端使用TI公司的4片TPIC6B595。掃描端使用Allegro公司的兩片2944。

顯示模塊與控制模塊用I2C總線相連。由于顯示模塊的任務只是顯示，所以不另外增加存儲器，只有內部的RAM單元保存欲顯示的點陣數據，并不停地掃描顯示到 LED陣列上。諸如滾動、閃爍等顯示效果只是對顯示數據做額外處理，如滾動顯示實際對應數據的移位操作。這些功能也編寫在顯示模塊中，由控制模塊發送命令激活這些功能。

此外需說明的是，顯示模塊的驅動電路與LED陣列可以看作分離的兩部分，只要在驅動電路的驅動能力范圍內，可以使用發光單元不同的LED陣列，如1個發光單元僅為1個LED的小型顯示牌或者1個發光單元包括5～7個LED的大型顯示牌等。

3 軟件設計

本系統的軟件包括一個部分：顯示模塊、控制模塊和PC機。


顯示模塊的軟件主要包括掃描顯示、特效處理和I2C通信三部分。三顯示模塊 CPU的 RAM中開辟出32字節作為顯示緩沖區，掃描顯示程序只是定時從顯示緩沖區中取數據發往移動寄存器，并設置相對應的掃描線，實現一次掃描。掃描顯示并不識別緩沖區里的數據是什么。掃描是利用了人眼的圖象滯留效果，如果掃描頻率達到60Hz以上，對掃描頻率的波動就不大敏感了，所以這里的掃描顯示程序沒有使用定時器中斷，僅由循環完成。

特效處理是指對掃描緩沖區的數據做移位的操作，主要對應滾動顯示效果。滾動時每次滾動一個像素行或列，大部分數據已經存在于顯示模塊中，控制模塊發送滾動命令時聯合國加兩個字節（1行或1列）的新數據。由于使用的掃描方式是32×8的方式，因此數據存放并非完全線性，而有跳躍存儲的部分，加之字符滾動顯示有上下左右四個方向，要把新來的數據移入緩沖區并移出兩字節的舊數據，因而需要比較繁復的RAM地址計算。

I2C通信是PIC16C73內部硬件實現的功能，比較簡單，只用中斷就可實現。

顯示亮度的調節功能是通過調節發光單元點亮時間實現的 。具體來講，由于是掃描顯示，每個發光單元最多只有1/8的時間可以點亮，如果這1/8的時間全部點亮，其效果就是最大亮度，如果在這1/8的時間內仍有部分時間不亮，則總體的顯示亮度就下降。顯示模塊從控制模塊接收環境亮度數據，調節這個點亮時間的比例，以實現調節亮度的功能。

控制模塊程序包括與顯示模塊的I2C通信，與EEPROM的I2C通信，與計算機的串行通信，數據的地址計算，外界光強度檢測幾個部分。

兩個I2C通信部分和串行通信由硬件支持，比較容易。外界光強度傳感器直接把光強轉化成頻率送入CPU，所以只要定時計數即可。比較復雜的部分是數據的地址計算。由于本系統的自由度、數據使用索引的辦法在EEPROM中存儲，地址計算邏輯上簡單但實現起來比較繁復，要對每個顯示模塊發送不同的內容。對于滾動顯示的情況則更加復雜。