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1、天津大学硕士学位论文大型LED显示屏系统的设计与实现姓名：万冬申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：杨兆选;钟华20071201摘要伴随当今高度发展的信息时代，涉及半导体技术光电器件、电子电路、集成电路、信息图像处理、信息传输、计算机网络以及电子产品制造和电子产品安装工程等相关技术的L E D 显示屏在信息领域显得尤为活跃，其在各行业的应用及普及方面也取得了长足的进步。本文设计了一种大型点阵L E D 显示屏系统，其显示屏的点阵数为3 2 0*2 5 6，能显示红、黄、绿三色的任意点阵数据。整个显示屏采用分布式结构，分成1 6 0 个显示模块，每个显示模块都可在单片机控制下独立工作，
2、通过对单片机的编程可以实现滚屏、拉幕、霓虹灯效果等多种动画显示模式，动画速度可分为1 0 0 个档位进行调节，文字和背景的颜色可以自由设定为无色、红色、绿色、黄色。该系统用中断方式通过R S 一2 3 2 接口与P C 通信，完成数据和命令的传输。通过对P C 机的软件编程，可以实现控制命令选择、发送命令、汉字录入、字体选择、字号更改、模拟演示、传送数据、文本选定、鼠标定位、坐标追踪、时间日期显示等功能，完成点阵数据的生成、提取、处理、传输以及对显示屏的实时控制。本文从系统的硬件结构设计、动画功能设计、软件设计、通信接口等几方面介绍了大型点阵L E D 显示屏系统的设计与实现，说明了上述各方面
3、的关键技术原理和实现方法，综合论述了该系统的性能及结构、系统研发过程、技术难点和创新点、以及目前存在的问题和改进意见。该L E D 显示屏不但可以用作信息发布系统，还可以作为教学实验的辅助教具。其中容纳了数字电路、定时、中断、扫描显示、单片机、数据存储、数据传输、串口通信、多机通信、汇编编程、V C 编程等多项试验项目和专业技能，其显示模块亦可作为教辅工具使用。论文工作与北京信息职业技术学院的科研立项课题紧密结合，所研制的大型L E D 显示系统已经安装在学院教学楼一层大厅并正式投入使用，工作稳定，显示效果良好，验证了系统设计的正确性。关键词：L E D 显示屏；分布式；动画；R S 一2 3
4、 2；多机通信A B S T R A C TW i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ni no u rs o c i e t y，L E U1 a r g es c r e e ni n c l u d i n gS Om a n yk i n d so ft e c h n i q u es u c ha sg e m l c o n d u c t o rt e c h n o l o g y、e l e c t r oc i r c u i t、i n t e g r a t ec i r c
5、u i t、i m a g em a n i p u l a t l o n、i n f o r m a t i o nt r a n s f e r s、c o m p u t e rn e t w o r ka n de l e c t r o n i cm a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n gh a sb e c o m em o r ea n dm o r ea c t i v e1 nt n ei n f o 珊a t i o nf i e l d，a n da l s om a d eag
6、r e a tp r o g r e s sw i t ha p p l i c a t l o na n dp o p u l a r i z a t i o ni ne v e r yw a l ko fl i f e Ak i n do fL E Dl a r g es c r e e ns y s t e mw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r，w i t h3 2 0*2 5 6p i x e l s；i tc a nd i s p l a ya n ya r r a yd a t ai nr e d-y e l l o wa n dg r
7、e e n T h ew h o l es c r e e na d o p t e dd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e，a n di t sm a d eo f16 0d i s p l a vm o d u l e s，e a c ho fw h i c hc a nw o r ko ni t so w nu n d e rt h ec o n t r o lo tS i n g l e c h i p B yp r o g r a m m i n gt h eS i n g l e c h i p，m u l t i p l ed y n a
8、m l cm o d e ss u c ha ss c r e e nr o l l i n g，v e i lp u l l i n g，a n dn e o nl i g h ta n dS Oo nc a nb ea c h i e v e d，t h ed y n a m i cs p e e dc a nb ea d j u s t e di n10 0s t e p s，a l s ot h ec o l o ro fw o r d sa n db a c k g r o u n dc a nb es e tt Op u r e，r e d，g r e e na n dY e U
9、o w B YR S 2 3 2t h es y s t e mc o m m u n i c a t e sw i t hP Ci ni n t e r r u p tm o d et ot r a n 8 f e rd a t aa n dc o m m a n d T h es o f t w a r ec a nc a r r yo u tc h o o s i n ga n ds e n d l n gc o m m a n d，r e c o r d i n gw o r d s，c h o o s i n gw o r d St y p e，c h a n g i n gw o
10、r d7 ss i z e,p r e v i e w，t r a n s m i t t i n gd a t a，c h o o s i n gt e x t，l o c a t i n gm o u s e，c h a s m gc o o r d i n a t e，d i s p l a y i n gt i m ea n dd a t ea n dS Oo n，a l s oi tc a ne r e a t e，P 1 c ku P，m a n a g ea n dt r a n s m i td a t aa n dc o n t r o lt h ed i s p l a y
11、s c r e e nr e a lt l m e T h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h el a r g eL E Da r r a ys c r e e ns y s t e mI ns e v e r a ta s p e c t s，s u c ha sh a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g n，d y n a m i cf u n c t i o nd e s l g n，s o f t w a r ed e s i g n，a n dc o m m u n i c a t i o ni n t e
12、r f a c ea n dS Oo n T h ep a p e rd e s c r i b e dt h ec r i t i c a lt e c h n i c a ld e s i g np r i n c i p l ea n dt h er e a l i z i n gm e t h o d s，d i s c u s s e dt h ec a p a b i l i t y，s t r u c t u r e，r e s e a r c hc o u r s e，d i f f i c u l t y，i n n o V a t l o n，t h ee x i s t
13、i n gi s s u ea n dt h er e v i s e dm e t h o d s T h eL E Ds c r e e nn o to n l yc a nb eu s e da sa ni n f o r m a t i o nd l s p l a ys v s t e mb u ta l s oa sa l la s s i s t a n tt e a c h i n ga i d I tc o v e r e dV a r l o u se x p e r i m e n t a li t e m sa n ds p e c i a ls k i l l s，i
14、 n c l u d i n gd i g i t a lc i r c u l t，t l m e r，i n t e r r u p t，s c a n n i n gd i s p l a y，S i n g l e c h i p，d a t as t o r e，s e r i a lP o r tUc o m m u n i c a t e，m u l t i m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n，a s s e m b l ep r o g r a m，V Cp r o g r a ma n dS Oo n T h ed i s p l a
15、 ym o d u l ea l s oc a nb eu s e da st e a c h i n ga i d T h i sp a p e rw a sl i n k e dc l o s e l yw i t has c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e mi nB e i j i n gI n f o r m a t i o na n dT e c h n o l o g yC o l l e g e T h ed e s i g n e ds y s t e mh a sb e e ns e ti nt h es c h o o lb u i
16、 l d i n g Sg r o u n df l o o ra n du s e df o r m a l l y，w h i c hC a l lw o r ks t e a d i l ya n dw e l l T h er e a ln i c ed i s p l a ye f f e c tv e r i f i e dt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n K e y w o r d s：L E Ds c r e e n；d i s t r i b u t e dd i s p l a y；d y n a m i c；R S-2 3 2
17、；m u l t i m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nI I I独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗叁生或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：万老签字日期：2 t o o g 年f月L 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权天盗大鲎可以将学位论文的全部或部
18、分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：万关导师签名：老匆以送签字同期：2。牙年f 月f 佣签-7-日期：扫暗年1月2 一扫第一章前言第一章前言随着计算机技术的高速发展，L E D(L i g h tE m i t t i n gD i o d e)屏幕显示系统作为继电视、广播、报纸、杂志之后的“第五大媒体”正快速步入社会生活的各个方面。它集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体，可以将信息通过文字、图案、动画及视频四种形式显示出来。
19、与电视墙、磁翻板等媒体相比，L E D 大屏幕显示系统具有图案美观、色彩亮丽；图案、色彩变化丰富、快速；低功耗、长寿命、使用成本低、工作稳定可靠等特点。它显示的图文视角大、视距远，因而已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易；它还应用于工业控制和工业调动系统，便于把各种参数、报警点、工艺流程显示得更加清晰完美，可以满足不同环境的需要。L E D 显示屏是一种利用计算机和复杂数字信号处理的电子广告宣传屏。它的屏体部分由微处理器(主要是单片机)和驱动电路控制运行，显示的图像或文字由计算机编辑软件编辑获得。由于L E D 显示屏这种新一代信息显示设备具有显示图案稳定、功
20、耗低、寿命长等特点，而且它综合了各种信息显示设备的长处，并且克服了自身的不足，特别是由于一幅显示屏可以显示不同的内容，显示方式丰富。所以在公共场合，它具有强烈的广告宣传和信息传递效果，已日趋在固体显示中占主导地位。L E D 显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。由不同材料的半导体组成能发出不同色彩的L E D 晶点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色L E D。而蓝色和纯绿色L E D的开发已经达到了实用阶段。1 1 本课题国内外研究现状L E D 显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发
21、光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用心，。发光二极管(L E D)是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，第一章前言七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P N 结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等方面的性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，L E D 在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即L E D 显示屏。L E D 显示屏发展经历了三个阶段：1 1 9 9 0 年
22、以前L E D 显示屏的成长形成时期。一方面，受L E D 器件材料的限制，L E D 显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的L E D 显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通信控制，灰度等级为单点4 级调灰，产品的成本较高。2 1 9 9 0 1 9 9 5 年，这一阶段是L E D 显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，L E D显示屏在L E D 材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色L E D 晶片研制成功，全彩色L E D 显示屏进入市
23、场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现1 6 级灰度和6 4 级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。这一阶段，L E D 显示屏在我国发展非常迅速，从初期的几个企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1 9 9 3 年证券股票业的发展更引发了L E D显示屏市场的大幅增长。L E D 显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，L E D 显示屏产业成为新兴的高科技产业。3 1 9 9 5 年以来，L E D 显示屏的发展进入
24、一个总体稳步提高和产业格局调整完善的时期。1 9 9 5 年以来，L E D 显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对L E D 显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。1 2L E D 显示屏的分类L E D 显示屏是多种技术综合应用的产品，涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方面，既有硬件又有软件H 1。L E D 显示屏是作为广播、电视、报纸、杂志之后第一章前言的又一新传播媒体。目前L E D 显示屏根据使用场所不同，可
25、以分为室外屏和室内屏两种，其主要区别是发光管的发光亮度不同。而根据所显示的内容不同也可以分为图像屏和文字屏两种，图像屏可以显示图像以及多媒体，而文字屏则主要显示文字或简单的固定图像。显示图像的多媒体室外屏是投资巨大(高达数百万)的大型高档设备，主要应用在大型公共场所、形象工程和一些重要场所。L E D 显示屏的应用涉及到社会经济的许多领域，已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。L E D 电子显示屏的发展速度很快，几乎每年都有比较新的显示屏技术产生。从技术方面可分为双基色、全彩L E D 电子显示屏两种。双基色显示屏主要由红色和绿色组成，优点是价格低，比全彩屏的价格低4 5 倍，距离
26、显示屏5 3 0 米观察有比较好的可视效果1 3L E D 显示屏的发展趋势目前L E D 显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀性、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行、操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，L E D 显示屏作为平板显示的主导产品之一将有更大的发展。1 高亮度、全彩化蓝色及绿色超高亮度L E D 产品出现以来，成本逐年快速降低，使L E D 全彩色显示屏产品成本下降，推广速度加快。同时，随着控制技术的发展和L E D 显示屏体稳定性的提高，全彩色L E D 显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效
27、果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，而且图像更清晰、更细腻、更亮丽。2 标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后，L E D 显示屏的标准化和规范化将成为L E D 显示屏发展的一个趋势。近几年业内的发展中，几番价格回落调整达到基本均衡后，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对L E D 显示屏的标准化和规范化有了较高的要求。行业规范和标准体系的形成，I S 0 9 0 0 0 系列标准的应用，使L E D显示屏行业的发展趋于有序。3 产品结构多样化随着信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，L E D 显示屏的应用第一章前言前景更为广阔。预计大型或超大型L E D
28、 显示屏为主流产品的局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型L E D 显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的L E D 显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高。1 4 论文工作的实际意义本文所设计的大型L E D 显示屏是北京信息职业技术学院2 0 0 6 年科研立项课题，大型L E D 显示屏置于教学楼大厅，不但可以作为信息发布系统显示各类通知、进行学生宣传教育工作、向校外人员展示我院技术实力，还可以作为教学实验的辅助教具。其中容纳了数字电路、定时、扫描、单片机、
29、数据存储、数据传输、串口通信、多机通信、汇编编程、V C 编程等多项试验项目和专业技能，是一举多得的优秀教辅工具。在制作过程中，我系教师进一步提高了理论水平与实践能力，对于我系的教学与科研工作有很大促进作用。在安装调试过程中，有部分学生参与装配，提高了学生的动手能力。在制作完成并投入正常使用后，由学生来进行日常操作和管理，提高了学生的电子技能和计算机应用能力。第=章系统概述21 系统设计概述第二章系统概述本文所设计的大型L E D 显示屏如图2 1 所示图21 大型L E D 显示屏系统实物图本系统根据经典的电路设计思路，采用自下而 的设计方法，从显示板到驱动板，再到控制板，进行硬件编程，调试
30、成功后接电源板，最后完成数据传输板与P c 机相连接，进行P c 软件编程，完成显示数据的生成、提取、处理、传输以及显示效果的实时控制。显示板分为1 6 0 个分布式模块，每个模块采用8 个L E D 点阵以行扫描形式点亮各行的红、绿、红绿灯，显示文字和图像。L E D 点阵的驱动、译码、锁存等由控制板的数字电路负责。其数据由单片机从存储器中读取，同时单片机采用中断方式，通过R S 一2 3 2 数据线与P c 机进行双向通信，从P c 机获取命令或数据，并按命令执行动作或者存储数据。而P c 机不但与1 6 0 个单片机进行多机串口通信，还要负责文字第二章系统概述录入和排版，生成点阵数据或者
31、命令字，实现人机交互功能。2 2 系统结构大型L E D 显示屏显示点阵为3 2 0*2 5 6 像素，其结构如图2 2 所示。整个系统采用分布式控制，划分为1 0 1 6 个显示模块。每个显示模块中的显示屏为长方形，含3 2 1 6 个像素，由8 个8*8 的L E D 点阵块组合而成。每个显示模块还包含一个单片机和外围数字电路对其进行控制。所有分布式显示模块都由P C 机通过串口进行直接控制。2 3 工作原理大型L E D 显示屏781 71 82 72 84 74 87 77 88 79 79 81 0 7 1 0 81 2 了I1 2 81 3 71 4 71 3 81 4 81 4
32、11 5 11 5 7 1 5 8电源模块组图2-2 大型L E D 显示屏结构图本文设计的大型L E D 显示屏由双基色点阵L E D 组合而成，采用逐行扫描的显示方式显示红、绿、黄三种颜色的任意点阵信息。显示模块采用逐行扫描显示的方式，其控制系统以单片机A T 8 9 C 5 2为核心，采用6 2 2 5 6 存储器作为数据存储器，利用锁存器7 4 H C 3 7 7 和8 组线驱动器2 0 8 3 A 驱动8*8 的L E D 显示模块，同时开放串口中断与上位P C 机进行多机通信。通过对单片机编程实现显示屏的多种动画模式显示：向左滚屏，6约一如一如一即一一伯一。lm一啪一oIm一一o一
33、均一一一的一酌一一伯一黔一盟mm地塑塑mo一盟弱一一舛一一一一蹰一盟一兰三一坚m一一mo一坫一巧一踮一巧一巧一晒一巧一髂一一懈一m一协一班mmo一旦孔一铋一寻：一旦钮一旦明一钳一巡坐盥m一巡埘。一一旦一们一弱一一仍一昭一一燮m一竖啪一mm：一挖一挖一弛一北一弛一眈一记一踞一兜一m一兰|一避璧|一m一抛。一旦殂一n一旦吼一nn一缸一虬一丛m一埘第二章系统概述向右滚屏，向上滚屏，向下滚屏，向左上滚屏，向右上滚屏，向左拉幕，向右拉幕，向上拉幕，向下拉幕，向右移，从左向右、依次点亮，从中间到两边、依次点亮。动画速度可调：分为1 0 0 档，最低为1 速，最高为1 0 0 速。图案颜色多样：背景无色、文
34、字红绿黄色，背景红色、文字无黄绿色，背景绿色、文字无黄红色，背景黄色，文字无红绿色。另外，还增加了几十种霓虹灯效果动画。P C 机上的显示控制软件可以实现汉字录入、字体选择、字号更改等功能，并且在进行数据处理后，可以在左侧模拟演示整体效果，同时“所见即所得”的显示在下方预览区域。另外，该控制软件还具有文本选定、鼠标定位、坐标追踪、时间日期等附加功能。P C 机通过R S 一2 3 2 接口实现与显示部分的单片机的通信，利用单片机串口中断实时接收和发送数据信息。在系统设计中还兼顾了单片机的抗干扰能力，有效地提高了系统运行的可靠性。第三章系统硬件结构设计第三章系统硬件结构设计本文所设计的大型L E
35、 D 显示屏系统采用分布式结构，共由1 6 0 个显示模块构成，所有显示模块利用R S-2 3 2 接口与P C 机连接，实现数据信息或命令字的实时传输。每个显示模块含有8 个8*8 的点阵L E D块，可独立进行显示，其控制电路以单片机A T 8 9 C 5 2 为核心，并包含性能优越的6 2 2 5 6 存储器，锁存器7 4 H C 3 7 7 和7 4 H C 3 7 3 以及驱动器2 0 8 3 A 等。3 1 光度学和视觉特性为了使L E D 显示屏达到理想的显示效果，需要对L E D 器件本身的工作原理及特性有很好的理解。首先要对光学特性(亮度、色彩、视角)等和人眼的视觉特性有所了
36、解。由于图像显示的最终效果是与光源特性(如果是反射光的话，还要考虑反射体的光学特性)和视觉特性双方有关的，它既有光学原理所描述的客观存在，也有人眼视觉主观感受的因素，两者兼顾才能收到良好的效果。光度是对有关的辐射能量与人眼亮度感受两者关系的描述；色度是对有关彩色形成与彩色视觉关系的描述。人眼对亮度的敏感程度与颜色有关，在整个可见光范围并不是均匀的。1 00 50l绿视锥细肫l 响应I _、Y、红视雒卸胞响I-生蓝视锥j闻曲口向南一。L uJ】巳。p-,j p八，吖、。，。、6 0 0图3 1 视锥细胞视敏函数曲线人眼对不同颜色光线的敏感程度不同，人眼对颜色的感觉来源于视网膜上三种不同类型的视锥
37、细胞。不同的对不同的颜色敏感，不同视锥细胞的视敏曲线表示在图3 1 上，分别为。(入)、G。(x)、。(入)，第三章系统硬件结构设计即三种视锥细胞分别对红、绿、蓝三色最敏感。三种细胞的共同作用下，就可以得到人对颜色的总体感觉。根据对人眼的研究，可知用R、G、B 三基色的不同比例，可以合成不同的颜色。三种颜色不同比例的混合就能发出从白到黑的各种颜色的光。这就是全色L E D 显示屏为什么把R、G、B 作为三基色。人眼的亮度感觉不会因光源的消失而立即消失，而有一个延迟时间，这就是视觉惰性。视觉惰性可理解为光线对人眼的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通特性。实验表明，当外界光
38、源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小的。这样当一个电源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，视觉就逐渐不能发现相应的亮度变化了。视觉惰性是L E D 显示屏得以广泛应用的基础。在L E D 显示屏中利用视觉惰性，改善了驱动电路的设计，形成了目前广为采用的扫描驱动方式。扫描驱动方式的优点在于L E D 显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共用一个驱动电路，通过扫描的方法，使各组发光灯依次点亮，只要扫描频率高于临界闪烁频率，人眼看起来各组灯都在发光。由于L E D 显示屏所使用的发光灯数量很大，一般在几千只到几万只的范围，所以
39、利用视觉惰性以节约驱动电路，具有十分可观的效益。3 2 发光二级管特性发光二极管(1 i g h te m i t t i n gd i o d e，L E D)，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流达到门限电流时，发光二极管导通，随着电流的通过，产生可见光。发光二极管的结构主要由P N 结芯片、电极和光学系统构成。当在P N 结上加以正向电压之后，P 区的空穴注入至N 区，N 区的电子注入至P 区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在P N 结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。描述
40、L E D 的特性有许多参数，这些参数之间的关系呈现非线性哺1。因此，用特性曲线来描述这些关系，在工程应用中更具有使用价值。下面对其主要的特性曲线作简单介绍。1 发光强度I，与正向电流I，的关系曲线。图3-2 中给出了由A G a A s P(N)，B G a P(N)和C-G a P(Z n-O)三种不同半导体材料制成的黄、绿、红L E D 器件的I，与I，的关系曲线。从总第三章系统硬件结构设计体上看，I，是随着I，的增加而增加的，但是变化的规律有所不同。念U县净P-1制哨最越厘奥正向电流If(m A)图3 2L E D 发光强度与正向电流的关系2 发光二极管的伏安特性。发光二极管的电流与电
41、压之间的关系和其它电器元件一样，称为伏安特性。由于L E D 器件的主要功能是发光，因此正向特性十分重要，而反向特性意义不大，所以L E D 器件的伏安特性都是指它的正向特性。发光二极管的伏安特性与一般二极管基本相似，只是开始导通的正向电压较大，大约在1 6 V 3 0 V 之间，具体数值视不同的半导体材料而定。3 红绿双色发光二极管。为了显示多种颜色，往往将多种颜色的发光二极管封装到一个管子中，构成变色发光二极管，最常见的变色发光二极管就是红绿双色发光二极管。形K 方形a)外形图b)电路符号图3 3 红绿双色发光二极管外形图和电路符号第三章系统硬件结构设计红绿双色发光二极管是一种三端变色发光
42、二极管，其结构如图3 3所示。一般由红色和绿色两个发光二极管共阳(阴)连接而成，红、绿可以单独点亮，也可以同时点亮显示黄色。3 3L E D 显示屏屏体L E D 显示屏由多个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的L E D 像素点。目前应用最广的是红色、绿色和黄色。而蓝色和纯绿色L E D 的开发已经达到了实用阶段。L E D 显示屏可以显示变化的数字、文字和图形图像：不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点哺1。图3 48*8 点阵L E D 显示单元外观图和引脚图L E D 显示屏以发光二极管为像素，由L E D
43、点阵显示单元拼接而成。最常见的L E D 点阵显示单元有5*7，7*9，8*8 结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符，8*8 L E D 点阵显示单元的外观及引脚如图3 4 所示。外观图中每个圆形代表一个发光二极管，这些发光二极管通过行共阳(阴)、列共阴(阳)的方式连接起来，共引出1 6 个引脚。其中0 7 引脚分别连接8 个行共阳(阴)行输入，A G 引脚分别连接8 个列共阴(阳)输入，通过行列输入高低电平进行显示控制。8*8 L E D 点阵显示单元内部结构如图3-5 所示。OOOOO000oOoooooOO0oooooooOooooooOOOO0O0OOOO
44、0OO0OOOOOo0oOO0OooOOO第三章系统硬件结构设计州阴撅1o【，l，JIl#Jf )几J几r IJnr-r lIL lUk IULJ JlL 1f 功几r lJJn引I，r If Dl7 l丌r 7 r lr k UU，J JU_I I-JL II m7。r lr丌f7，一7 I7 If D几I丌nJnI几r lr 1【砷7 Jr r JJ，叫IJ叫l In几丌Jr。r l引引曲J”J7 nJI丌r I，|l图3 58*8 点阵L E D 显示单元内部结构图双基色点阵L E D 每个像素可以显示红、黄和绿三种颜色，这是因为8*8 双基色点阵的每个像素封装一个红绿双色二极管。每一行
45、的K端接在一起作为行输入，每一列的R 端接在一起作为红色列输入，每一列的G 端接在一起作为绿色列输入，共2 4 个引脚端口。通过对这2 4 个管脚的控制，可使任意二极管发出红绿黄中某种颜色的光。利用视觉暂留现象，进行扫描显示，就可以让6 4 像素的点阵以三种颜色显示任意内容。8*8 双基色点阵L E D 显示单元内部结构如图3 6 所示。c o l，2l，t?l图3 68*8 双基色点阵L E D 显示单元内部结构图在本系统中，整个显示屏就是由许多个这样的L E D 显示单元拼接而成的，由于整个大型L E D 显示屏的规格为3 2 0*2 5 6 像素，所以需要8*8 的点阵L E D 显示单
46、元的数量为(3 2 0 8)木(2 5 6 8)=1 2 8 0 块。如_ 菇砭强瑚五插盯 霉匠-鼯黼；：，：。；。糟pE狂RlG_ 1 9第三章系统硬件结构设计o o o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o oo o o o o o o ooo oo oo o oo o o oo ooo o o o o o o o ooo o o oo o oo o o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o oo o oo oo o oo o o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o o
47、o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo ooo o o o o o ooo o o o ooo o o o o o ooo oo oo o oo ooo ooooo oo oooooo oo o o o ooo o o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o oo o oo oo o oo o
48、 o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o ooo o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o ooo ooo o o o o o o o ooo o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo ooo o o o o o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o ooo o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o
49、 o o ooo oo o ooo o o o o o o o oo o o o o o o oo oo o o o o oo o o o o o o o o o o oo o o oo o o o o o o o图3 7 系统中分布式显示模块示意图由于系统采用分布式控制，整个L E D 屏幕被分为1 6 0 个显示模块。每个显示模块由2*4=8 个点阵L E D 显示单元组成一个1 6 3 2 像素的单元模块，如图3 7 所示。由于整个L E D 显示屏体由若干个模块组成，模块之间信号级联，在这个过程中扫描控制信号存在衰减，而每个模块行驱动电路同时驱动3 2 列的L E D 发光器件时，按每
50、一L E D 器件电流2 0 m h 计算，6 4 个L E D 同时发光时就需要3 2 2 0=6 4 0 m A 的驱动电流，因此我们在每个模块都加入1 6 个达林顿管作为行驱动。在电路设计中，要求所用到的芯片尽量出自一个厂家，同一类型的芯片尽量用同一型号的，以保持L E D 显示屏整屏的均匀性1。3 4L E D 器件的驱动从L E D 器件的发光机理可以知道，当向L E D 器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此L E D 的驱动就是要使它的P N 结处于正向偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动