許 萍

摘要:室外大屏幕LED矩陣顯示系統(tǒng)的抗干擾設計采用了7個抗干擾、低功耗的PIC16F1937單片機組成級聯(lián)電路,具有恒流輸出的TB62726型16位移位鎖存器和HF3009恒流驅動電路構建了行、列雙路恒流的LED矩陣驅動電路單元。并通過防靜電、抗電磁干擾能力的設計,使大屏幕LED顯示系統(tǒng)運行可靠。

關鍵詞: LED矩陣;抗干擾;雙路恒流;可靠性;室外大屏幕

中圖分類號:TN873文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)19-0040-02

室外大屏幕LED顯示系統(tǒng)通常工作在惡劣環(huán)境下,雷擊、靜電、電磁干擾、高溫、低溫和潮濕等對系統(tǒng)的正常工作造成嚴重影響。因此,在產品設計過程中,要根據(jù)使用環(huán)境條件進行充分的抗干擾、可靠性設計,以減少產品故障率,降低產品維修成本。

一、系統(tǒng)設計與抗干擾分析

(一)系統(tǒng)電路設計

本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。主要硬件系統(tǒng)包括下位機的AC/DC電源、數(shù)據(jù)接口、單片機控制、LED顯示屏和殼體結構等五部分,上位機(微機)與單片機顯示控制部分的接口為標準RS485通信方式。其電路結構如圖1所示。本系統(tǒng)中采用了7個PIC16F1937型單片機級聯(lián)方式進行控制。單片機1～6 各控制12個12×16 LED矩陣模塊。100英寸的顯示屏共由72個12×16 LED矩陣模塊組成,可以同時顯示72個紅、綠雙色12×12矩陣標準宋體字,如圖1所示:

(二)主要元器件選擇與抗干擾分析

PIC16F1937型單片機具有高精度內部振蕩器、故障保護時鐘監(jiān)視器、雙速啟動、節(jié)能睡眠與自動喚醒啟動、低功耗和抗干擾性好等特點,在許多應用中不用外加輔助電路,特別適用于低成本和高可靠性要求的電路中應用。

主控單片機與上位機微機之間采用RS-485接口進行通信,主控機0和單片機1～6的RXD、TXD端口通過MAX485電平轉換電路與微機連接,傳輸串行數(shù)據(jù)。MAX485電平轉換電路內部采用平衡驅動器和差分接收器的組合設計,抗共模干擾能力強,即抗噪聲干擾性好。最大傳輸距離可達3000米,具有多站能力,可以利用單一的RS-485接口方便地建立起單片機級聯(lián)控制及微機通信系統(tǒng)。

在系統(tǒng)的可靠性設計中,除了選擇抗干擾能力強的單片機和RS-485通信接口以外,還充分考慮了LED防靜電設計,以及電路、PCB、顯示屏外殼、傳輸線路的電磁兼容設計和軟件的抗干擾設計。

二、單元LED顯示模塊的控制電路設計

(一)單元LED顯示控制電路

單元LED顯示控制模塊主要由PIC16F1937單片機、TB62726型16位移位鎖存器、74LS154四-十六譯碼器和HF3009恒流并入并出LED驅動電路組成。

如圖2所示,在單元LED顯示 1 控制電路中,單片機1的I/O端口RA0、RA1和RA4端口分別接入移位鎖存器11的串口輸入端DATA、時鐘輸入端CLK和鎖存輸入端STB,移位鎖存器11的串口輸出端DOUT與移位鎖存器12的串口輸入端DATA連接。4個移位鎖存器的16位輸出OUT0～OUT15分別與4個LED模塊行矩陣的16個陰極端連接。TB62726型移位鎖存器的輸出端帶輸出電流調整功能,其并行輸出端不會出現(xiàn)高電平,只有高阻狀態(tài)和低電平狀態(tài)。所以,只能控制LED的陰極或共陽極LED矩陣電路。

單片機的I/O端口RBO～RB3分別作為74LS154四-十六譯碼器的4個輸入端A、B、C、D的輸入端,16位譯碼輸出信號經(jīng)過4個并聯(lián)的HF3009進行恒流輸出控制驅動4個LED模塊列矩陣的16個串聯(lián)陽極端。該電路對LED矩陣模塊分別采用了行、列兩級恒流供電系統(tǒng),確保矩陣中每一個LED的工作電流一致性和穩(wěn)定性,防止因為個別LED動態(tài)電阻差異導致的亮度不均勻、電流積聚效應引起的LED過流失效等問題,提高了LED矩陣的可靠性。

(二)LED的防靜電和過壓保護設計

在每個LED模塊矩陣的16個陽極輸入端對地并聯(lián)一個TVS瞬態(tài)抑制二極管作為作為防靜電保護電路[1],其開啟時間小于10ns,箝位電壓約為6V,其保護敏感度高達16KV,一般靜電電壓、雷擊不會造成TVS的損壞。

三、電源與PCB布線的抗干擾設計

(一)電源的抗干擾設計

大屏幕LED顯示系統(tǒng)在室外使用,采用市電電源供電。市電的各種干擾、電源電壓不穩(wěn)定以及雷電、大容量感性負載的起停等,都會造成電源瞬間欠壓、過載,產生浪涌、下陷、尖峰等干擾。為此,在電源設計中主要采用了如下措施:

1.壓敏電阻并聯(lián)在電源變壓器的初、次級,加入壓敏電阻后,電源干擾造成單片機程序失控的可能性減小。

2.在電源電路的輸入端加入低通濾波電路,讓50 Hz市電基波通過,抑制掉高頻信號。此外在電源變壓器的初次級之間均用屏蔽層隔離,減少其分布電容,提高抗共模干擾的能力。

(二)印刷電路板的抗干擾設計

在PCB布線設計時,數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)布線,低頻模擬電路的地線單點并聯(lián)接地,高頻數(shù)字電路采用多點串聯(lián)接地。

電源線與地線應靠近走線,以減少所包圍的環(huán)路面積,從而減少外界磁場對環(huán)路切割而產生的電場干擾,同時也減少環(huán)路對外電磁輻射。電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞方向一致,有助于增強抗噪聲能力。

在每個集成電路的電源端都并聯(lián)一個0.01μF的瓷片電容排除射頻耦合干擾。PCB布局時,使單片機的振蕩晶體放在單片機兩引腳近端。

四、軟件程序設計

(一)軟件程序設計

軟件程序是室外大屏幕LED顯示系統(tǒng)的核心部分,包括LED模塊顯示控制軟件和與上位機之間的通信控制軟件兩大部分,文字編寫采用國家標準宋體字庫。

圖3是由下向上滾動式顯示通知信息的照片:

LED模塊顯示控制軟件采用動態(tài)掃描的方式,實現(xiàn)對顯示屏要顯示的漢字、字符等數(shù)據(jù)信息進行傳輸控制以及顯示等功能。程序中將數(shù)據(jù)存儲器分為三個區(qū):顯示緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)和接收緩沖區(qū)。主控單片機通過串口中斷接收上位機傳來的數(shù)據(jù),暫時存放在接收緩沖區(qū),經(jīng)分析處理后按一定的規(guī)律放入數(shù)據(jù)存儲區(qū)保存起來,然后再根據(jù)顯示方式依次從數(shù)據(jù)存儲器中取出數(shù)據(jù)放入顯示緩沖區(qū)中用于顯示。數(shù)據(jù)傳輸完成后,上位機可以脫機,由主控單片機控制各個顯示控制單片機進行工作。顯示采用逐行掃描的方式,掃描周期為15～18ms,在保證LED亮度的前提下,不會造成視覺疲勞。

與上位機實時通信部分主要是利用單片機串口中斷接收數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)與上位機微機的數(shù)據(jù)信息傳輸。每當向上位機應用程序里輸入新顯示內容,并通過RS485接口發(fā)送給單片機時,單片機就產生串行中斷,接收待顯示的點矩陣據(jù)。進入中斷后,首先關閉中斷,防止接收數(shù)據(jù)出錯,然后將收到的顯示信息數(shù)據(jù)存入變量,接收到的點矩陣據(jù)再反饋給上位機確認后,依次寫入指定FLASH空間內。同時,根據(jù)標記位判斷數(shù)據(jù)接收是否全部結束,最后開中斷返回主程序。

(二)軟件抗干擾設計

通過軟件的抗干擾設計,可以彌補硬件設計的不足,并減少成本,主要采取的措施有:

1.采用軟件攔截技術和輸出口數(shù)據(jù)刷新技術,確保在程序受到干擾“跑飛”的情況下,使程序回到正常的軌道上來。

2.在對程序走向指令RET、LCALL、SJMP、JC、LJMP,ACALL等之前加入3個單字節(jié)的NOP指令,當受干擾的程序遇到該指令后得到調整,使后續(xù)的程序得以回復正常。

3.設計時鐘監(jiān)測電路,當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時鐘停振時產生系統(tǒng)復位信號以恢復系統(tǒng)時鐘,這也是非常有效地提高系統(tǒng)可靠性的措施之一。

4.采用看門狗技術與低電壓復位設計?？撮T狗技術是監(jiān)測應用程序中的一段定時中斷服務程序的運行狀況,當這段程序不工作時判斷為系統(tǒng)故障,從而產生系統(tǒng)復位。

五、結語

本文設計的室外大屏幕LED點矩陣示系統(tǒng),以具有抗干擾、低功耗的PIC16F1937單片機為基礎,采用TB62726型16位移位鎖存器、74LS154四-十六譯碼器和HF3009構建LED點矩陣的雙路恒流驅動電路單元,通過抗干擾性能優(yōu)異的RS485串行接口實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)設計中注重各個電路單元的防靜電、抗電磁干擾能力的設計,通過實際應用證明,本系統(tǒng)運行可靠,在惡劣環(huán)境下仍能正常工作。

參考文獻

[1]郝躍,劉紅俠.微納米MOS器件可靠性與失效機理[M].北京:科學出版社,2008.

[2]付曉光.單片機原理與實用技術[M].北京:清華大學出版社,2004.

[3]楊清德,康婭.LED及其工程應用[M].北京:人民郵電出版社,2007.

作者簡介:許萍(1958-),女,山東威海人,威海職業(yè)學院基礎部副教授,研究方向:機械電子產品的研究開發(fā)與教學。