室外大屏幕LED矩阵显示系统的抗干扰设计

许 萍

摘要:室外大屏幕LED矩阵显示系统的抗干扰设计采用了7个抗干扰、低功耗的PIC16F1937单片机组成级联电路,具有恒流输出的TB62726型16位移位锁存器和HF3009恒流驱动电路构建了行、列双路恒流的LED矩阵驱动电路单元。并通过防静电、抗电磁干扰能力的设计,使大屏幕LED显示系统运行可靠。

关键词: LED矩阵;抗干扰;双路恒流;可靠性;室外大屏幕

中图分类号:TN873文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)19-0040-02

室外大屏幕LED显示系统通常工作在恶劣环境下,雷击、静电、电磁干扰、高温、低温和潮湿等对系统的正常工作造成严重影响。因此,在产品设计过程中,要根据使用环境条件进行充分的抗干扰、可靠性设计,以减少产品故障率,降低产品维修成本。

一、系统设计与抗干扰分析

(一)系统电路设计

本系统包括硬件和软件两大部分。主要硬件系统包括下位机的AC/DC电源、数据接口、单片机控制、LED显示屏和壳体结构等五部分,上位机(微机)与单片机显示控制部分的接口为标准RS485通信方式。其电路结构如图1所示。本系统中采用了7个PIC16F1937型单片机级联方式进行控制。单片机1～6 各控制12个12×16 LED矩阵模块。100英寸的显示屏共由72个12×16 LED矩阵模块组成,可以同时显示72个红、绿双色12×12矩阵标准宋体字,如图1所示:

(二)主要元器件选择与抗干扰分析

PIC16F1937型单片机具有高精度内部振荡器、故障保护时钟监视器、双速启动、节能睡眠与自动唤醒启动、低功耗和抗干扰性好等特点,在许多应用中不用外加辅助电路,特别适用于低成本和高可靠性要求的电路中应用。

主控单片机与上位机微机之间采用RS-485接口进行通信,主控机0和单片机1～6的RXD、TXD端口通过MAX485电平转换电路与微机连接,传输串行数据。MAX485电平转换电路内部采用平衡驱动器和差分接收器的组合设计,抗共模干扰能力强,即抗噪声干扰性好。最大传输距离可达3000米,具有多站能力,可以利用单一的RS-485接口方便地建立起单片机级联控制及微机通信系统。

在系统的可靠性设计中,除了选择抗干扰能力强的单片机和RS-485通信接口以外,还充分考虑了LED防静电设计,以及电路、PCB、显示屏外壳、传输线路的电磁兼容设计和软件的抗干扰设计。

二、单元LED显示模块的控制电路设计

(一)单元LED显示控制电路

单元LED显示控制模块主要由PIC16F1937单片机、TB62726型16位移位锁存器、74LS154四-十六译码器和HF3009恒流并入并出LED驱动电路组成。

如图2所示,在单元LED显示 1 控制电路中,单片机1的I/O端口RA0、RA1和RA4端口分别接入移位锁存器11的串口输入端DATA、时钟输入端CLK和锁存输入端STB,移位锁存器11的串口输出端DOUT与移位锁存器12的串口输入端DATA连接。4个移位锁存器的16位输出OUT0～OUT15分别与4个LED模块行矩阵的16个阴极端连接。TB62726型移位锁存器的输出端带输出电流调整功能,其并行输出端不会出现高电平,只有高阻状态和低电平状态。所以,只能控制LED的阴极或共阳极LED矩阵电路。

单片机的I/O端口RBO～RB3分别作为74LS154四-十六译码器的4个输入端A、B、C、D的输入端,16位译码输出信号经过4个并联的HF3009进行恒流输出控制驱动4个LED模块列矩阵的16个串联阳极端。该电路对LED矩阵模块分别采用了行、列两级恒流供电系统,确保矩阵中每一个LED的工作电流一致性和稳定性,防止因为个别LED动态电阻差异导致的亮度不均匀、电流积聚效应引起的LED过流失效等问题,提高了LED矩阵的可靠性。

(二)LED的防静电和过压保护设计

在每个LED模块矩阵的16个阳极输入端对地并联一个TVS瞬态抑制二极管作为作为防静电保护电路[1],其开启时间小于10ns,箝位电压约为6V,其保护敏感度高达16KV,一般静电电压、雷击不会造成TVS的损坏。

三、电源与PCB布线的抗干扰设计

(一)电源的抗干扰设计

大屏幕LED显示系统在室外使用,采用市电电源供电。市电的各种干扰、电源电压不稳定以及雷电、大容量感性负载的起停等,都会造成电源瞬间欠压、过载,产生浪涌、下陷、尖峰等干扰。为此,在电源设计中主要采用了如下措施:

1.压敏电阻并联在电源变压器的初、次级,加入压敏电阻后,电源干扰造成单片机程序失控的可能性减小。

2.在电源电路的输入端加入低通滤波电路,让50 Hz市电基波通过,抑制掉高频信号。此外在电源变压器的初次级之间均用屏蔽层隔离,减少其分布电容,提高抗共模干扰的能力。

(二)印刷电路板的抗干扰设计

在PCB布线设计时,数字电路和模拟电路分区布线,低频模拟电路的地线单点并联接地,高频数字电路采用多点串联接地。

电源线与地线应靠近走线,以减少所包围的环路面积,从而减少外界磁场对环路切割而产生的电场干扰,同时也减少环路对外电磁辐射。电源线、地线的走向与数据传递方向一致,有助于增强抗噪声能力。

在每个集成电路的电源端都并联一个0.01μF的瓷片电容排除射频耦合干扰。PCB布局时,使单片机的振荡晶体放在单片机两引脚近端。

四、软件程序设计

(一)软件程序设计

软件程序是室外大屏幕LED显示系统的核心部分,包括LED模块显示控制软件和与上位机之间的通信控制软件两大部分,文字编写采用国家标准宋体字库。

图3是由下向上滚动式显示通知信息的照片:

LED模块显示控制软件采用动态扫描的方式,实现对显示屏要显示的汉字、字符等数据信息进行传输控制以及显示等功能。程序中将数据存储器分为三个区:显示缓冲区、数据存储区和接收缓冲区。主控单片机通过串口中断接收上位机传来的数据,暂时存放在接收缓冲区,经分析处理后按一定的规律放入数据存储区保存起来,然后再根据显示方式依次从数据存储器中取出数据放入显示缓冲区中用于显示。数据传输完成后,上位机可以脱机,由主控单片机控制各个显示控制单片机进行工作。显示采用逐行扫描的方式,扫描周期为15～18ms,在保证LED亮度的前提下,不会造成视觉疲劳。

与上位机实时通信部分主要是利用单片机串口中断接收数据信息,实现与上位机微机的数据信息传输。每当向上位机应用程序里输入新显示内容,并通过RS485接口发送给单片机时,单片机就产生串行中断,接收待显示的点矩阵据。进入中断后,首先关闭中断,防止接收数据出错,然后将收到的显示信息数据存入变量,接收到的点矩阵据再反馈给上位机确认后,依次写入指定FLASH空间内。同时,根据标记位判断数据接收是否全部结束,最后开中断返回主程序。

(二)软件抗干扰设计

通过软件的抗干扰设计,可以弥补硬件设计的不足,并减少成本,主要采取的措施有:

1.采用软件拦截技术和输出口数据刷新技术,确保在程序受到干扰“跑飞”的情况下,使程序回到正常的轨道上来。

2.在对程序走向指令RET、LCALL、SJMP、JC、LJMP,ACALL等之前加入3个单字节的NOP指令,当受干扰的程序遇到该指令后得到调整,使后续的程序得以回复正常。

3.设计时钟监测电路,当发现系统时钟停振时产生系统复位信号以恢复系统时钟,这也是非常有效地提高系统可靠性的措施之一。

4.采用看门狗技术与低电压复位设计。看门狗技术是监测应用程序中的一段定时中断服务程序的运行状况,当这段程序不工作时判断为系统故障,从而产生系统复位。

五、结语

本文设计的室外大屏幕LED点矩阵示系统,以具有抗干扰、低功耗的PIC16F1937单片机为基础,采用TB62726型16位移位锁存器、74LS154四-十六译码器和HF3009构建LED点矩阵的双路恒流驱动电路单元,通过抗干扰性能优异的RS485串行接口实现与上位机的数据传输。在系统设计中注重各个电路单元的防静电、抗电磁干扰能力的设计,通过实际应用证明,本系统运行可靠,在恶劣环境下仍能正常工作。

参考文献

[1]郝跃,刘红侠.微纳米MOS器件可靠性与失效机理[M].北京:科学出版社,2008.

[2]付晓光.单片机原理与实用技术[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]杨清德,康娅.LED及其工程应用[M].北京:人民邮电出版社,2007.

作者简介:许萍(1958-),女,山东威海人,威海职业学院基础部副教授,研究方向:机械电子产品的研究开发与教学。