LED矩阵显示屏实验系统的设计

2014-05-14漆强，蒋泉

实验科学与技术 2014年2期

漆强，蒋泉

(电子科技大学光电信息学院，成都 610054)

发光二极管(light emitting diode，LED)是一种能发光的半导体电子元件。LED显示屏通常是由很多个红色的发光二极管组成，靠灯的亮灭来显示字符，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。实物如图1所示。

图1 LED显示屏实物图

1 系统工作原理

LED矩阵显示屏有两种驱动方式，一种是静态显示驱动，另一种是动态显示驱动。在静态显示模式下，每一个LED显示器件都需要一个独立的IO口来驱动，以一定的持续电流驱动LED器件，各个LED器件同时持续发光;这种方式对硬件的要求较高，需要较多的控制引脚，不适用于大规模的LED矩阵显示屏［1］。在动态显示模式下，采用扫描的方式(可以是行扫描，也可以是列扫描)进行驱动，驱动每个LED显示器件的是脉冲电流，各个LED显示器件轮流发光，只要一屏显示的扫描速度足够快(大于50 Hz)，利用人眼的视觉暂留特性，可以达到各个器件同时发光的视觉效果;同时，在硬件设计方面，将每一个LED显示器件按矩阵形式连接起来，可以大大节省系统的硬件开销。一个四行三列动态轮换扫描驱动的模型如图2所示。

图2 四行三列动态轮换扫描驱动模型

四条行驱动线被轮流加以高电平，即每一行的像素点在1/4周期内被选中，有可能被点亮。具体该行上各点发光与否，由此时该点的列数据决定，各行完成一次扫描称为一场。例如，此时H2上为高电平，列数据为011，即V2、V3开关闭合，则同时第2行第2、3列的LED发光;下一个1/4周期，H3上为高电平，若此时列数据变为110，即V1、V2开关闭合，则此时第3行第1、2列的LED发光。利用人眼的视觉暂留效应，只要一场的时间小于20 ms，即场频率高于50 Hz，就不会有闪烁的感觉。采用这种动态轮换扫描驱动方式，多行LED器件可以共用一套驱动电路，大大简化了电路，降低了成本，提高了可靠性，并且降低了系统功耗［2］。

2 系统软硬件设计

对于本实验而言，显示屏大小为:64(列)×48(行)，扫描方式为行扫描方式，由列提供数据信号和移位脉冲，行提供扫描信号和脉冲。硬件的电路结构如图3所示。

图3 64×48点阵LED屏结构图

电路设计原理:由8×8共阳极LED屏构成64×48点阵LED矩阵显示屏。74LS244芯片作为缓冲接口芯片，接收控制板传送过来的LED矩阵显示屏行列驱动信号，并输出到行串行移位寄存器CD4015和列串行移位驱动芯片6B595;行串行移位寄存器CD4015将行选通信号送到大功率行驱动芯片 APM4953;APM4953驱动 LED屏的阳极，6B595吸收LED屏阴极的电流［3］。

下面详细介绍各个部分的电路:

1)列信号驱动接口

采用移位寄存器6B595来完成一行64个列信号的传递。6B595是8位移位寄存器，由于显示屏一行有64个列像素，则在设计列的驱动时，需要8片6B595级联形成一个64位的串入并出移位寄存器。设计数据端的级联时，将显示数据输入MCSDI接第一片6B595的SERIAL DATA IN端(串行数据输入端)，第一片的SERIAL DATA OUT(串行数据输出端)接到第二片6B595的SERIAL DATA IN端，这样依次接连形成64位的串入并出移位寄存器。其余信号，如时钟信号、锁存信号、输出使能信号(亮度信号)都接到每一片6B595的对应引脚上，寄存器清零则直接置为无效。

从软件设计上，每行显示数据的送出，就是要模拟64个时钟，同时将一行的数据逐个送入移位寄存器，然后锁存显示数据;在送下一行显示数据时，决定上一行数据的显示时间，打开输出使能信号。列驱动实际电路原理图如图4所示。

图4 列驱动电路原理图

2)行信号驱动接口

行信号的作用主要是依次让每行的显示数据有效。其设计方法有两种:一种是使用译码器，比如在本显示屏中，就可以设计一个48路输出的译码器，每次只让其中的一行输出有效;另一种是使用移位寄存器，将有效的行选通信号作为第一个送入移位寄存器的数据，后面的其他时刻送入无效的行选通信号，这样只有一个有效的行选通信号在移位寄存器的作用下逐个地移动到每行。在本显示屏的设计中采用了第二种方法来实现。利用CD4015设计了48位的移位寄存器，并加上PMOS驱动管APM4953来完成电路的驱动。先将CD4015自身级联成8位移位寄存器后，再接成48位的移位寄存器:将行选通信号输入MRSDI接第一片CD4015的DATA_A端(串行数据输入端)，第一片的Q4B(串行数据输出端)接到第二片CD4015的DATA_A端，这样依次接连形成48位的串入并出移位寄存器。其余信号，如时钟信号、清零信号都接到每一片CD4015的对应引脚上。其设计电路原理图如图5所示。

图5 行信号驱动电路图

由于行信号要负责驱动一行的LED端，每个LED的电流为3～5 mA，则一行64个LED一起点亮时，电流为320 mA左右，同时由于采用了行扫描方式，所需的脉冲电流更大，直接利用CD4015无法提供这么大的电流，因此加入了MOS管提高驱动能力。这里使用的是P型MOS管APM4953，最大可以提供4.9 A的电流，一个APM4953中有两组MOS管，由于是P型MOS管，因此门控端(G端)要输入低电平，MOS管才导通。在电路中，将CD4015的并行数据端输出分别接到每个MOS管的门控端，源极(S端)接到电源，漏极(D端)接到共阳极LED屏的行信号上。这样当某个CD4015的输出端为低电平时，对应的MOS管导通，电源电压接到共阳极LED屏的行信号上，这时该行上对应LED的列信号如果是低电平，则该LED点亮(注意:由于6B595输出端的反相作用，实际送出的列信号为高电平点亮、低电平熄灭)。同时，由于清零信号是将每个CD4015的输出都置为0，此时所有的行信号有效，这就破坏了扫描显示的意思，因此，清零一直处于无效状态，置为低电平［4］。

从软件设计上，行选通信号只需要在一屏显示的开始提供一个有效的行选通信号(低电平的输入数据)，而后就一直输入无效的行选通信号(高电平的输入数据)，这唯一的一个有效行选通信号在移位时钟的作用下将逐个地移到6个CD4015的输出端，让每行的LED信号逐行有效，从而达到行扫描的效果。