張學成，曾素瓊

(嘉應學院電子信息工程學院，廣東梅州514015)

0 引言

LED電子顯示屏是利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，可靠性高、使用壽命長、環(huán)境適應能力強，隨著計算機及相關的微電子﹑光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展而形成的一種新型信息顯示媒體.在信息顯示領域中迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品.彩色LED點陣顯示屏在此基礎上也迅速發(fā)展起來，但當前市場上的彩色LED點陣顯示屏造價過高，難于普及應用.因此，設計一款能讓市場接受的較低造價的彩色LED點陣點陣模塊或像素單元便有著廣闊的市場前景.

1 模塊設計方案三基色混色原理

1.1 三基色混色原理

三基色RGB是指紅、綠、藍三色，人眼對紅、綠、藍最為敏感，大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例合成產(chǎn)生，同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅、綠、藍三種色光［1］.這是色度學的最基本原理，即三基色原理.

紅、綠、藍三基色按照一定比例相加合成混色稱為相加混色:黃色由一定比例的紅色和綠色相加混色得到;青色由一定比例的綠色和藍色相加混色得到;品紅色由一定比例的紅色和藍色相加混色得到;而紅、綠、藍三基色按一定比例相加混色得到白色.

為達到顯示各種顏色的效果(即:混合色的色調(diào)和色飽和度)，依據(jù)三基色光配成標準白光所需三基色光通量的比例，在上述混色表達式中各基色加上一定的比例系數(shù).配成標準白光所需三基色光通量(紅色:綠色:藍色)的比例約為3∶6∶1.

1.2 模塊設計方案

采用模塊化設計，利用三基色相加混色原理，將三基色高亮LED制成16×3×16點陣模塊，模塊的四周加上模塊的串聯(lián)接口，可靈活方便地拼接各種規(guī)格(行、列點陣數(shù)為16的整數(shù)倍)的平板顯示媒體，同一行的模塊拼接時共用一組點陣橫向驅(qū)動控制;同理，同一列上的模塊共用一組列向驅(qū)動模塊，這樣可節(jié)省很多驅(qū)動控制電路，這也是低成本設計的主要體現(xiàn)，但作為單一的獨立模塊使用時硬件成本相對較高，并無低成本優(yōu)勢.模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖如圖1所示.

2 模塊的硬件設計

2.1 硬件組成框圖

硬件組成框圖如圖2所示，利用三基色相加混色原理，由紅、綠、藍三種顏色的LED組合成1個像素點，各像素點按陣列結(jié)構(gòu)組成行、列各16像素點的16×16點陣模塊，采用動態(tài)掃描顯示方式控制，驅(qū)動電路由列向驅(qū)動和橫向驅(qū)動共同完成［2～4］.

2.2 橫向驅(qū)動電路設計

橫向驅(qū)動電路如圖3所示，由于設計中使用的16位元恒流驅(qū)動器MBI5024的輸出是低有效輸出，因此，每個像素點中的RGB三個發(fā)光二極管采用共陽接法，為了實現(xiàn)動態(tài)掃描的顯示方式控制，將同一像素行的所有共陽接點聯(lián)接在一起構(gòu)成點陣行控制線(橫向驅(qū)動).每個模塊有16路像素行，為節(jié)省主控制器(MCU)的I/O資源，采用1個4線/16線的譯碼器譯碼，再經(jīng)16組由中功率PNP三極管及若干電阻組成的驅(qū)動電路來實現(xiàn)模塊的橫向驅(qū)動控制［5］.

2.3 列向驅(qū)動電路設計

列向驅(qū)動電路設計如圖4所示，模塊由3個LED專用16位元恒流驅(qū)動器MBI5024組成，分別負責紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色橫向點陣控制.

圖4 列向驅(qū)動電路圖

每種基色單獨使用1塊LED專用16位元恒流驅(qū)動器(MBI5024)，三基色串行數(shù)據(jù)獨立與各自MBI5024的串行數(shù)據(jù)輸入端(SDI)連接，所有MBI5024的輸出允許控制端(/OE)、數(shù)據(jù)鎖存控制端(LE)、串行時鐘輸入端(CLK)都對應并接由MCU同步控制，MBI5024的 16位并行輸出端(OUT0－OUT15)經(jīng)限流電阻分別接點陣相應列控制線上(列向驅(qū)動)，串行數(shù)據(jù)輸出端(SDO)作為模塊的串聯(lián)數(shù)據(jù)輸出端，連接到下一個模塊的串行輸入端，其他控制端直接與下一個模塊的相應端聯(lián)接.如此一級級地往后串聯(lián)實現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)信息的列向驅(qū)動控制［6］.由于每種基色單獨使用1塊LED專用16位元恒流驅(qū)動器(MBI5024)，通過設置控制16位元恒流驅(qū)動器輸出電流的外接電阻值，就可分別調(diào)節(jié)紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色LED的亮度，即通過設定3塊MBI5024芯片外接電阻值的比例就可設定三基色光通量的比例，進而達到各種顏色的混色效果(即:混合色的色調(diào)和色飽和度).

3 模塊的應用

3.1 模塊應用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

模塊可單獨使用，即16×16點陣，也可以由多模塊拼接成16A×16B點陣(A、B分別為每行、每列的模塊數(shù))的大屏幕平板顯示器.圖5給出了單位掃描塊電路的模塊拼接示意圖，在單位掃描塊范圍內(nèi)所有行點陣共用一組列向驅(qū)動電路［7］，如模塊00、01、…、0x，模塊10、11、…、1x;所有列點陣共用一組橫向驅(qū)動電路［7］，如模塊00、10、…、y0，模塊01、11、…、y1.受驅(qū)動能力及顯示刷新率指標的限制，每單位掃描塊模行模塊數(shù)和列模塊數(shù)都會受到一定的制約，即A、B的值不能太大，但每個系統(tǒng)可控制多個單位掃描塊電路.

相對于當前市場上的LED顯示器，它的每個模塊都采用獨立的橫向驅(qū)動和列向驅(qū)動控制電路的驅(qū)動方式，多少模塊就需要多少組驅(qū)動電路，而按圖5給出的示意圖設計的LED顯示器在硬件成本上就有極大的優(yōu)越性:模塊00橫向、列向驅(qū)動電路都必須有，模塊01及第0行后續(xù)的所有模塊(即模塊0x)都是只需要列向驅(qū)動電路就行，模塊10及第0列后續(xù)的所有模塊(即模塊y0)都是只需要橫向驅(qū)動電路，而中間的所有模塊如模塊11等則橫向、列向驅(qū)動都不用(只剩下LED點陣了)，直接與第0行共用列向驅(qū)動，與第0列共用橫向驅(qū)動.由此可知，這樣做可以節(jié)省大量硬件資源，從而降低造價.例如，以80×160像素為單位掃描塊組成160×160像素點陣屏，所需模塊總數(shù)為100塊，這些模塊的驅(qū)動中只有2塊是需要完整的橫向、列向驅(qū)動，18塊只需列向驅(qū)動，8塊只需橫向驅(qū)動，而其余的72塊都不需任何驅(qū)動，只要LED像素點陣就行了.故以這種方式設計的160×160像素點陣屏，100塊模塊中只需10組橫向驅(qū)動和20組列向驅(qū)動，因此，橫向驅(qū)動可以節(jié)省90%的硬件資源、列向驅(qū)動則可節(jié)省80%的硬件資源.掃描塊的大小以及采用多少個掃描塊，應在確保顯示無閃爍感和足夠的顯示亮度的前提下，再根據(jù)整屏點陣數(shù)量和結(jié)構(gòu)(長×寬)來合理設計.

3.2 模塊應用系統(tǒng)的軟件設計

控制軟件設計流程主要遵循以下2個方面:第一，MCU對所有單位掃描塊的控制都是同步進行的，對單位掃描塊哪一行控制及控制內(nèi)容(即傳送數(shù)據(jù)、數(shù)鎖存、并行數(shù)據(jù)輸出、行顯示、行消隱)都是同時進行的;第二，對單位掃描塊的控制細則:在顯示第n行的同時進行第(n+1)行(如果n是單位掃描塊最后一行則改為第1行)的數(shù)據(jù)傳送，一行數(shù)據(jù)傳送結(jié)束則進行列向驅(qū)動控制中禁止并行數(shù)據(jù)輸出(即消隱:全屏關顯示)，消隱期間進行新數(shù)據(jù)的鎖存控制，然后將橫向控制指向下一行導通(如果已是單位掃描塊的最后一行則回到單位掃描塊的第一行導通)，最后開啟列向驅(qū)動控制中的并行數(shù)據(jù)輸出(即開始顯示新的一行像素)，如此重復.

為了保證顯示無閃爍感，根據(jù)人眼的視覺特性，必須保證幀頻不低于40 Hz，這就要求刷新單位行掃描塊所用的時間必須小于25 mS.刷新單位行掃描塊所用的時間t由傳送一位數(shù)據(jù)所需時間t1和一行的點陣數(shù)x、單位掃描塊的行數(shù)y、MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)鎖存輸出等操作所需時間t2確定:

4 結(jié)語

為降低硬件成本，在保證顯示不閃爍前提下，單位掃描塊的行數(shù)盡可能設計的大些;同時，為保證顯示不閃爍盡可能地提高MCU的工作時鐘，在較高MCU工作時鐘(即t1和t2較小)的情況下，并盡可能地加大發(fā)光二極管LED的工作電流以保證足夠的顯示亮度.在研制的彩色LED點陣顯示屏樣機中，按80×160像素為單位掃描塊，由2個單位掃描塊組成160×160像素點陣屏，采用單時鐘機器周期MCU作主控制器，當工作頻率為11.059 2 MHz時顯示圖文信息亮度偏高但閃爍非常明顯，但把工作頻率改為18.432 MHz后，顯示圖文信息效果良好，亮度合適且不閃爍.

［1］王川.彩色電視機原理與維修［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［2］張振榮，晉明武，王毅平.MCS51單片機原理及實用技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2000.

［3］吳金戌，沈慶陽，郭庭吉.8051單片機實踐與應用［M］.北京:清華大學出版，2002.

［4］張學成，曾素瓊.一種可擴充LED點陣顯示模塊及其驅(qū)動設計［J］.計算機與現(xiàn)代化，2007(7):123－124.

［5］鄧元慶，關宇，賈鵬.數(shù)學設計基礎與應用［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［6］聚積科技.MBI5024規(guī)格書［EB/OL］.http://www.gzneon com/support/datasheet/mbi5024.pdf，2005－06.

［7］張學成.基于電力線載波模塊的LED點陣圖文顯示系統(tǒng)［J］.液晶與顯示，2011(3):350－353.