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動控制;同理，同一列上的模塊共用一組列向驅動模塊，這樣可節(jié)省很多驅動控制電路，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.模塊的結構示意框圖如圖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，各像素點按陣列結構組成行、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，驅動電路由列向驅動和橫向驅動共同完成［2～4］.

2.2 橫向驅動電路設計

橫向驅動電路如圖3所示，由于設計中使用的16位元恒流驅動器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)接在一起構成點陣行控制線(橫向驅動).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16組由中功率PNP三極管及若干電阻組成的驅動電路來實現(xiàn)模塊的橫向驅動控制［5］.

2.3 列向驅動電路設計

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

圖4 列向驅動電路圖

每種基色單獨使用1塊LED專用16位元恒流驅動器(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)經限流電阻分別接點陣相應列控制線上(列向驅動)，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位元恒流驅動器(MBI5024)，通過設置控制16位元恒流驅動器輸出電流的外接電阻值，就可分別調節(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:混合色的色調和色飽和度).

3 模塊的應用

3.1 模塊應用系統(tǒng)的硬件結構

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所有行點陣共用一組列向驅動電路［7］，如模塊00、01、…、0x，模塊10、11、…、1x;所有列點陣共用一組橫向驅動電路［7］，如模塊00、10、…、y0，模塊01、11、…、y1.受驅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動和列向驅動控制電路的驅動方式，多少模塊就需要多少組驅動電路，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)都是只需要橫向驅動電路，而中間的所有模塊如模塊11等則橫向、列向驅動都不用(只剩下LED點陣了)，直接與第0行共用列向驅動，與第0列共用橫向驅動.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，這些模塊的驅動中只有2塊是需要完整的橫向、列向驅動，18塊只需列向驅動，8塊只需橫向驅動，而其余的72塊都不需任何驅動，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組橫向驅動和20組列向驅動，因此，橫向驅動可以節(jié)省90%的硬件資源、列向驅動則可節(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)量和結構(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)傳送結束則進行列向驅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［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.