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LED显示屏动态显示和远程监控的实现.doc

LED显示屏动态显示和远程监控的实现

江山依旧
2018-09-06 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《LED显示屏动态显示和远程监控的实现doc》,可适用于工程科技领域

摘 要:由于普通LED点阵显示屏动态显示通常采用硬件扫描驱动这在一些需要特殊显示的场合显得不够灵活。文中提出了一种利用PC机和单片机的通讯来实现显示屏灵活的动态显示和远程监控的设计方法同时该方法还可以将显示内容在PC机上进行预览。    关键词:LED动态显示远程控制显示预览 引言   LED点阵电子显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统。它以其色彩鲜艳动态范围广亮度高寿命长工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择。同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告以及交通运输等许多行业。  目前大多数的LED点阵显示系统自带字库。其显示和动态效果(主要是显示内容的滚动)的实现主要依靠硬件扫描驱动该方法虽然比较方便但显示只能按照预先的设计进行。而实际上经常会遇到一些特殊要求的动态显示比如电梯运行中指示箭头的上下移动、某些智能仪表幅值的条形显示、广告中厂家的商标显示等。这时一般的显示系统就很难达到要求。另外由于受到存储器本身的局限其特殊字符或图案也往往难以显示同时显示内容也不能随意更改。本文提出一种利用PC机和单片机控制的LED显示系统通讯方法。该方法可以对显示内容(包括汉字和特殊图符)进行实时控制从而实现诸如闪动、滚动、打字等多种动态显示效果。该方法同时还可以调节动态显示的速度同时用户也可以在PC机上进行显示效果的预览显示内容亦可以即时修改。另外通过标准的RS/转换模块还可以实现对显示系统的远程控制。系统硬件设计   本系统主要的硬件设计是下位机单片机的显示控制部分。而上位机(PC机)与单片机显示控制部分的接口为标准RS通讯方式。若需实现远程监控只需增加RS/转换模块即可该部分已有成熟的电路设计故不再详细叙述。  具体的LED显示屏控制电路如图所示。整个电路由单片机C、点阵数据存储器、列驱动电路ULN、行驱动电路TIP、移位寄存器及附属电路组成。该电路所设计的电子屏可显示个汉字需要个×LED点阵模块可组成×的矩形点阵。由于ATC仅有k存储空间而显示的内容由PC机控制因此不可能预先把需要显示的内容做成点阵存在单片机中而只能由PC机即时地把所需显示的点阵数据传给单片机并存入缓冲区。  该电路的显示采用逐行扫描方式。工作时由单片机从缓冲区取出第一行需要显示的字节点阵数据再由列点阵数据输入端P.口按位依次串行输入至列移位寄存器其数据输入的顺序与显示内容的顺序相反。然后置行点阵选通端P.为即置行移位寄存器的D为高电平STR使能(所有的OE引脚接+V电平)从而使列移位寄存器中的数据同时并行输出以选通该行。经延时一段时间后再进行下一行点阵数据的显示。需要注意的是每次只能选通一行数据即要通过不断的逐行扫描来实现汉字或字符的显示。显示与控制的设计   在笔者设计的PC机控制多单片机显示系统中用PC机实现的主要功能包括单片机显示子系统的选择显示方式选择(包括静态、闪动、滚动、打字等)滚动方向选择(包括上下滚动和左右滚动)动态显示速度调节(即文字闪动频率、滚动速度、打字显示速度等)显示内容输入及显示预览等。单片机一般通过RS/串行接收PC机发出的显示指采用定时器中断方式进行行扫描每次中断显示一行定时中断时间为.ms这样整屏的刷新率为Hz因而无闪烁感。  实现动态显示速度调节的方法通常是改变定时器的中断时间但是当显示速度很慢的时候该方法容易使整屏的刷新率降低从而使显示内容出现闪烁。因此本设计采用一种“软定时”方法即在程序中命名一变量作为“软定时器”以用来设定两次动态显示的时间间隔。在对定时中断调用计数时如果调用次数达到设定值则改变显示内容。为保证能够正常显示“软定时器”的设定值必须大于整屏显示周期。由于显示屏每行显示.ms整屏显示周期为ms考虑到余量的情况可将软定时器的设定值定在大于ms。如此循环计数即可实现动态显示。“软定时器”的设定值可以通过上位机PC机来改变这样既可实现LED动态显示的速度调节又可保持显示内容的流畅和无闪烁感。.单片机动态显示控制  以上提到的静态、闪动、滚动和打字等种显示方式实际上是单片机定时中断程序进行行扫描处理的不同方法。下面将分别说明如何实现这种显示方式。  静态显示只需在定时中断处理程序中从显示缓冲区调入相应的一行显示数据然后选中该行即可实现该行的显示如此循环便可显示整个内容。闪动显示与此类似不同的是要间隔一个“软定时器”的定时时间在行扫描时行移位寄存器的D端打入的全为可使得整屏不显示以确保黑屏时间与显示时间相等从而实现汉字或图符的闪动显示。     滚动显示要求需要显示的内容每隔一定时间向指定方向(这里以从右向左为例)移动一列这样显示屏可以显示更多的内容。为此需要在下次移动显示之前对显示缓冲区的内容进行更改从而完成相应点阵数据的移位操作。具体操作方法是:     设置一个显示缓冲区(如图所示)该区应包括两部分:一部分用来保存当前LED显示屏上显示的个汉字点阵数据另一部分为点阵数据预装载区用来保存即将进入LED显示屏的个汉字的点阵数据。滚动指针始终指向显示屏的最右边原点。当滚动指针移动到需要显示的点阵数据存储区的第个汉字的首地址时显示缓冲区LED显示区为空白而预装载区已保存了第个待显示汉字的点阵数据。当需要滚动显示时则可在接下来的扫描周期的每个行扫描中断处理程序中将对显示缓冲区的相应行点阵数据左移一位同时更改显示缓冲区的内容。(需要注意的是要确保该操作能在.ms的中断时间内完成。这里C采用MHz晶振实验证明可以实现该操作)。这样在一个扫描周期后整个汉字将左移一列而显示缓冲区的内容也同时更改。由于预装载区保存了个汉字点阵数据即×点阵所以当前显示缓冲区的内容只能移动列。当下一个滚动到来时滚动指针将移动到点阵数据存储区的下一个汉字的首地址并在预装载区存入该汉字的点阵数据。然后重复执行上述操作便可实现滚动显示。特殊字符或图形的显示与此类似这里不再赘述。 打字显示要求汉字在显示屏上按从左到右的顺序一个个的出现如同打字的效果。设计时可采用如下方法:首先将LED显示屏对应的显示缓冲区全部清零即LED显示空白然后每间隔一个“软定时器”设定的动态显示时间显示缓冲区依次加入一个汉字点阵数据并进行扫描显示这样就可达到打字显示的效果。.PC机控制程序   a.通讯功能的实现  在Windows环境下实现PC与单片机的通讯可利用Windows的通讯API函数或者利用VC++(或其它语言)的标准通讯函数_inp、_outp来实现。但上述两种方法比较繁琐而采用ActiveX控件MSComm来实现则非常方便。该控件用事件的方式简化了对串口操作的编程并可设置串行通信的数据发送和接收还可对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。其初始化程序如下:  一般情况下PC要与多个单片机C系统进行主从式通讯为了区分各单片机系统可以使C采用串口工作方式即位异步接收/发送方式该方式的有效数据为位其中第位为地址/数据信息的标志位其作用是使从机据此判断发送的数据是否为地址从而实现多机操作。但现在由于采用的是MSCOMM控件来实现PC机和单片机之间的通讯这是一种标准的位串口通信方式即位标准数据位和该数据的起始位、停止位各位。因此二者格式不相符故很难利用上述方案。因此可考虑将单片机串口设为工作方式即改为位异步接收/发送方式来解决其通讯流程如下:  首先发通信开始标志接着发送需要操作的单片机系统地址然后发送显示工作命令字该命令包括个字节前一字节用于设定显示方式和滚动方向后一字节则用于设定显示速度。再往下是传送显示内容的点阵数据最后对数据进行校验。该通讯规约非常简便能够较好的解决上述问题从而实现PC机与多单片机之间的主从式通讯及对显示的控制。  需要注意的是当显示内容需要改变时为了避免在单片机串行中断接收数据时显示屏出现乱码应使显示屏暂不显示(处于“黑屏”状态)直到数据接收完全串行中断处理结束时再显示。  汉字字模的提取非常关键本文的字模数据取自UCDOS下的字库文件HZK。关于这方面的介绍较多文献[]给出了较为具体的在VC下提取汉字字模的方案这里不再赘述。对于特殊字符或图形点阵数据的提取简便的方法可以先做一个BMP文件然后用一些取模软件(如字模提取v.)来获得。为了显示方便点阵数据的格式应为n×(×)不足要求的则应以数据补充。b.动态效果模拟显示  为了方便调节LED的显示效果笔者在PC机的控制界面上设计了LED显示屏的模拟显示它同实际的显示效果完全一样。用户可以设定显示的模式并调节显示速度然后在界面上对显示效果进行预览同时还可以随时修改和设定参数因而十分方便简捷。  为此可先在界面上描绘出虚拟的LED显示屏由于实际的显示屏为×点阵故须在界面上设定相同的区域。  实现动态显示效果的方法和以上几种基本类似这里以滚动显示为例作一说明。对于需要滚动的文字可以将其设置为位图格式暂存于内存中然后利用VC提供的位图拷贝函数BitBlt将位图复制到显示位置。对于特殊字符或图形则可以直接利用BitBlt函数调用到显示位置。然后在类CLEDDlg的OnTimer函数中调用该函数以实现文字的滚动显示。另外也可以通过设定不同的响应时间间隔来改变文字的滚动速度。汉字显示屏广泛应用与汽车报站器广告屏等。本文介绍一种实用的汉字显示屏的制作考虑到电路元件的易购性没有使用*的点阵发光管模块而是直接使用了个高量度发光管组成了行列的发光点阵。同时为了降低制作难度仅作了一个字的轮流显示实际使用时可根据这个原理自行扩充显示的字数。汉字显示的原理:我们以UCDOS中文宋体字库为例每一个字由行列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个像素而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字也可以显示在像素范围内的任何图形。用位的ATC单片机控制由于单片机的总线为位一个字需要拆分为个部分。软件打开后输入汉字点“检取”十六进制数据的汉字代码即可自动生成把我们所需要的竖排数据复制到我们的程序中即可。  我们把行列总线接在单片机的i口然后把上面分析到的扫描代码送入总线就可以得到显示的汉字了。在这个例子里由于一共用到行列如果将其全部接入c单片机一共使用条io口这样造成了io资源的耗尽系统也再无扩充的余地。实际应用中我们使用线译码器ls来完成列方向的显示。而行方向条线则接在p口和p口。程序清单:ORG HLOOP:MOVA,#FFH开机初始化清除画面MOVP,A   清除P口      ANLP,#  清除P口MOVR,#  DMS:MOVR,#延时毫秒      DJNZR,$      DJNZR,DMS      MOVH,#H取码指针的初值l:   MOVR,#每个字的停留时间L:   MOVR,#每个字个码      MOVR,#H扫描指针清零      MOVR,H取码指针存入RL:   MOVA,R  扫描指针存入A      MOVP,A  扫描输出      INCR     扫描指针加扫描下一个      MOVA,R  取码指针存入A      MOVDPTR,#TABLE取数据表的上半部分的代码      MOVCA,ADPTR      MOVP,A  输出到P      INCR     取码指针加取下一个码。      MOVA,R      MOVDPTR,#TABLE取数据表下半部份的代码      MOVCA,ADPTR      MOVP,A         输出到P口      INCRMOVR,#       扫描毫秒DELAY: MOVR,#         DJNZR,$      DJNZR,DELAY      MOVA,#H    清除屏幕      MOVP,A      ANLP,#H          DJNZR,L      一个字个码是否完成?      DJNZR,L     每个字的停留时间是否到了?      MOVH,R     取码指针存入H      CJNER,#FFH,L个字个码是否完成?      JMPLOOP反复循环      TABLE:汉字“倚”的代码dbH,H,H,H,H,H,FH,FFHdbEH,H,H,H,H,FCH,H,HdbAH,H,FH,H,AH,FAH,H,HdbH,FEH,H,H,H,H,H,H以下分别输入天一出宝刀屠龙的代码略。end 电路中行方向由p口和p口完成扫描由于p口没有上拉电阻因此接一个k*的排阻上拉。如没有排阻也可用个普通的kw电阻。为提供负载能力接个n的NPN三极管驱动。列方向则由译码器LS完成扫描它由C的PP控制。同样驱动部分则是个N的三极管完成的。电路的供电为一片LM三端稳压器耗电电流为Ma左右。采用一块*cm的万能电路板应当选用质量好些的发光管(否则有坏点现象更换起来较麻烦)首先将个发光管插入电路板注意插入方向同时使高度一致行方向直接焊接起来列方向则搭桥架空焊接完成后用万用表测试一下如有不亮的更换掉。   然后找一个电脑硬盘的数据线截取所需的长度分别将行列线引出至电路的相关管脚即可。原理图为了简洁故只画出了示意图行列方向只画出了个三极管屏幕只画出个发光管实际上发光管为只三极管行列方向各只一共只。焊接过程认真仔细一天时间即可完成全部制作。将程序编译后烧写入c,插入pinIc座即可看到屏幕轮流显示:“倚天一出宝刀屠龙”。   当然你可将程序的汉字代码部分更换为您所需要的代码即可显示你所需要的汉字元件清单:名称数量规格.kw电阻k*排阻 n小功率NPN三极管n小功率PNP三极管ledmm白发红高亮度P瓷片电容ufv电解电容ufv电解电容ATC或ATSpinIc座插c用M晶体LS或HCLM稳压IC电源插座 稳压电源 LED显示屏用电源的设计林建伟李震西安普声电信有限责任公司陕西西安引言   LED显示屏是一种迅速发展起来的新型信息显示媒体。随着我国经济的不断发展,已被广泛应用于车站、宾馆、银行、医院等公共场合。显示屏电源是其重要组成部分主要用来给显示屏发光二极管提供必要的工作电流保证屏体正常显示。为简单起见通常采用由一小功率电源带到个显示驱动板的供电方案。这样,一个较大面积的显示屏需要配接许多电源模块例如一个m×m的屏体就需要提供个VA的模块电源。该设计存在以下的缺点。   )接线复杂每一个电源均需单独地配置交流输入线、直流输出线。   )电源冗余度差在大多数情况下屏体显示内容为文字、动画、图片每个显示驱动板消耗的电流不一样可能某些电源模块过载而另一些模块空载。此外若某一电源失效会造成屏体的一部分黑屏。   )电源过载能力差利用率低屏体在工作时消耗的电流随画面的内容、颜色、亮度而变化大部分时间电流较小而大面积高亮度的画面虽消耗电流大但持续时间短。考虑到LED是恒流驱动的只要驱动板可正常工作供电电压可以降低一些。电源最好有下拖形状的限流特性而不是通常的较陡峭形状的限流特性以保证有较好的过载能力、较高的利用率。   考虑到以上各点提出新的供电方案如下:   )集中供电采用n+冗余方案。   )电源模块设计适当的输出电流模块可均流。保证屏体装配工艺易实现n+冗余。   )电源模块有下拖形状的限流特性以保证有较好的过载能力、较高的利用率。   )电源模块有扁平的外形自然散热易于在屏体上安装并利用屏体散热。   )电源模块带APFC减小对电网的干扰适应电网的波动。电路设计   采用集中供电方案可避免分散供电的缺点但要求电源的可靠性更高否则电源一旦失效会造成整屏的黑屏而不是部分黑屏。提高电源可靠性的最积极的办法为提高变换效率减少发热量同时选用可靠性高的线路与器件。.ACDC电路设计   传统的ACDC全波整流电路采用的是整流+电容滤波电路。这种电路是一种非线性器件和储能元件的组合输入交流电压的波形是正弦的但输入电流的波形发生了严重的畸变呈脉冲状。由此产生的谐波电流对电网有危害作用使电源输入功率因素下降。在本设计中整流电路部分采用有源功率因数校正电路(APFC),避免了上述缺点。其电路如图所示。   与典型PFC主电路不同的是此电路选用了无损吸收缓冲网络。该网络降低了开关管的开关损耗,提高了其稳定性,增强了其使用寿命。它利用一组无源元件,使开关管实现了零电流开通和零电压关断提高了电源的工作效率,且相对于其它谐振软开关电路降低了生产成本。   下面通过分析PFC主开关Q的工作过程来说明此无损吸收缓冲网络的工作原理。   )Q导通时因为电感L中电流不能突变且C、C电压不能突变Q中的的电流从零开始增加,缓慢上升。通过D的电流iD渐减。Q实现零电流开通导通的损耗较小。   )当电流iD减少为零时D进入反向恢复状态通过电感L的电流iL=iL+irD。D反向电流irD的变化率受到电感L的控制反向恢复损耗降低。   )主电感L中电流缓慢增加Q上的电压uQ下降。电容C通过D、C、L、Q放电,C上的电压uC下降。   )当uC下降为零时,C中的能量完全转向C、L。L中的电流饱和不变uQ下降变为零Q完成零电流开通过程。   )Q保持开通状态,与普通PFC电路的开关管状态相同。   )Q关断时L中的电流iL通过D流向CC从零开始充电Q实现零电压关断关断损耗较小。二极管D、D使uC最终钳位在输出电压VL。   )L在导通时存储的能量通过D、D流向CL逐渐复位。当L复位后C中的能量通过D输出。   )当C两端电压变为零时D正向导通。Q完成零电压关断过程。   )Q保持关断状态直到开始进入新的开关循环过程。   Q的开关波形如图所示Q的实测导通时间和关断时间如图所示。(电源负载A)   从以上分析可知此无损吸收网络具有以下几个特点。   )Q的最大工作电压等于输出电压VL。   )PFC电路的输出二极管D的耐压是VL与电感L的反向电压之和。   )Q中的电流上升率即Q的开通损耗决定于电感L两端电压和L的电感量。   )Q两端的电压上升率即Q的关断损耗决定于流过电容C的电流和C的容量。   )由于开关动作引起的存储在L和C中的能量最终都输出给了负载保证了转换器的工作效率。.DCDC主电路设计   DCDC主电路采用单端双正激电路。单端双正激电路相对于其它拓扑电路结构开关管承受电压低在控制电路设计中不必担心共态导通问题也不会因电路不对称发生高频变压器单向偏磁即不存在变压器饱和问题是一种可靠性较高的电路。考虑到整机的高度不超过mm以及变压器工艺、安装、散热的要求DCDC变换采用双变压器、双输出电感结构。变压器原边并联副边各自用一个输出电感如图所示。   该电路的无损吸收网络不同于ACDC部分电路所采用的无损吸收网络。它仅使开关管完成了零电压关断过程。以下以开关Q为例(Q与Q变化状态相同)简述该网络的工作原理。   )导通过程   Q、Q开通时除一路电流通过Q、T副边、Q外另一路电流流过Q、CL、D、C、Q形成LC振荡回路C、C被充电。当A与B点之间的电压uAB等于主电路电压VDC时由于D的单向导电性振荡结束。电感L起限制C、C中的电流变化的作用。Q、Q中流过的电流为从副边折算到原边的负载电流与C、C充电电流之和。   )关断过程   Q、Q关断时由于B点对地电压为零C从零开始充电Q对地电压uQ缓慢上升Q零电压关断。加在Q上的电压因二极管D的钳位作用最终为VDC。因此B点电压升为VDC。Q实现零电压关断过程。   由于变压器励磁电感、漏感及引线寄生电感所引起的感应电势的能量通过C、D返回电源Q上的电压维持在VDC直到变压器原边磁通复位。此时Q、Q上的电压分别为VDC直到新的工作周期。   Q的开通期间与关断期间的状态与普通开关管同期间的状态相同。   图为实测Q开关波形。图为实测Q零电压关断波形。   从以上分析中,可以总结出以下特点。   )电路中每个开关管的最大工作电压等于电源电压。   )Q、Q关断的电压上升率分别决定于电容C、C的容量。.控制电路设计   为保证电源安全可靠地工作电路设计中采用TOPY制作一反激式开关电源作为辅助源如图所示。其两路输出分别为ACDC部分和DCDC部分的控制电路供电。   ACDC控制部分使用PFC控制芯片UCB。交流输入过、欠压、PFC变换直流电压(V)过、欠压时都关闭UC使PFC部分停止工作。这些故障信号通过隔离光耦传递到DCDC控制电路以达到在ACDC部分工作不正常时保护主开关管的目的。   DCDC控制部分使用了PWM控制芯片UC采用峰值电流型控制模式。峰值电流型控制模式相对于电压控制模式负载响应速率快具有逐脉冲限流特性容易获得下拖形状的限流特性非常适合在此应用。   n+冗余应用时多模块必须有均流功能。该电源输出电流较大直接从DC输出用分流器取电流   信号功率损耗较大同时装配工艺较复杂。因此本设计采取了原边电流合成的方法。   用电流传感器取出开关管导通时变压器原边的电流信号。该信号包含了变压器的励磁电流信号与输出电感电流折算到变压器原边的电流信号。因输出电感折算到原边的电流远大于变压器的励磁电流所以可认为电流传感器取出的即为输出电感的充磁电流。这是输出电感电流的上升部分只要模拟出输出电感续流时的下降部分合成后即可得到输出电感的电流信号也为输出电流信号。取出该合成后的电流信号后就可用于电流保护的控制与均流控制上了。   如图所示把电流传感器取出的电流信号经高速单向缓冲后向一电容充电。开关管导通时关闭恒流源而开关管关断时打开恒流源对电容恒流放电。在选择合适的电路参数后电容上的电压波形就与输出电感上的电流成比例放大后就可得到输出电感电流也即输出电流。实验结果   对样机的测试指标如下   输入电压范围AC~V   输出电压范围DC~V   输出电流>A   效率>%   散热方式自然散热   限流特性下拖   厚度mm可安装在LED显示              屏体上   用两台样机试验均流如下:   A机VB机V不接均流线B机不工作   A机VB机V接均流线A机输出AB机输出A。结语   随着这种电源应用量的不断增加证明出其具有较高的工作效率和良好的可靠性是一种性价比较高的产品。

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