以太网LED图文显示系统的设计 第11页
发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。我们知道，发光是一
种能量转化现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态越迁到不稳定的高能态;
当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式释放数来，就会
产生发光现象[26〕。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有
很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，导带中的电子则可
越过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高
能态的电子与空穴相遇后便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐
射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。
4.8.2LEO器件的驱动方式
经过对LED器件的发光原理进行分析后，我们可以得到这样的结论:只要在ELD
器件上加上足够的正向电压，那么流过它的电流就会使它发光，这就是LED器件的驱
动。在实际应用中，往往需要调节LED器件的发光强度，通常我们是通过调节流经LED
器件的电流的平均时间来实现的。常见的LED器件的驱动方式有:直流驱动、脉冲驱
动和扫描驱动，本设计中使用的驱动方式为扫描驱动。
(1)脉冲驱动
所谓脉冲驱动方式，就是利用人眼的视觉暂留效应，以脉冲的方式对LED器件进
行供电，使之间歇性地点亮。采用这种驱动方式需要对以下两个方面进行考虑:脉冲电
流的幅值和其重复颇率。首先，脉冲电流幅值的选择，当脉冲驱动的平均值与直流驱动
的电流值相等时，我们人眼的感觉是相同的，也就是说两者的发光强度相当。如图4.11
所示，平均电流I。是瞬时电流I的时间积分，对于矩形波来说，有如下表达式[271
基于以太网的LED图文显示系统的设计
‘:一(‘/t)f‘dt
I。红F(ton/T)
其中n0tT/就是占空比的一种描述，为了使脉冲驱动方式下的平均电流
流oI相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足
1;==T(/t。)I:=(T/tno)I。
(4.1)
(4.2)
几与直流驱动电
衅.3)
月月和韧夏夏
图4.11LED的脉冲驱动
Fig.4.11Pulse面veofLED
可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大T/tno倍。
其次是脉冲重复频率的选择，通过对视觉暂留特性的分析，要使人眼感觉不到LED
器件闪烁，那么脉冲电流的重复频率必须高于24Hz。脉冲驱动的主要应用有两个方面:
扫描驱动和占空比驱动。图4.招行扫描列控制原理及波形图
Fig.4.12户neiPlenadwaveofm1sofrowse咖ingcolUmneontrollnig
(2)扫描驱动
大连理工大学硕士学位论文
扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干ELD器件轮流导通，用以节省控制驱动电
路。LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方
式下可以按行扫描，按列控制;也可以按列扫描，按行控制。所谓“扫描”的含义，就
是指一行一行地循环接通整行的LED器件，而不问这一行的哪一列的LED器件是否应
该点亮，某一列的ELD器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来负责。本论文采用
按行扫描按列控制的方式。
图4.12所示为一个m行n列结构的LED显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式
时，从Hl到Hm轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的ELD器件接通正电源，但
具体哪一个ELD导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作。
例如在LED显示屏上需要LEDll熄灭，LEDZI点亮，那么当扫描到Hl行时，Ll列的
电位就应该为高:当扫描到HZ行时，L1列的电位就应该为低。
4.8.3L印点阵工作原理和显示时间分析
()lLED显示屏工作原理
LED显示屏以发光二极管为像素，由LED点阵显示单元拼接而成。最常见的ELD
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[9z〕，本论文采用的是8*SLED点阵，它的外观及等效电路图如图4.13
所示。12354‘.7
图4.138*8点阵显示单元
Fig.4.138*8dotmartixdisPlayingmoudle
根据驱动方式的不同，LED大屏幕显示方式可分为静态显示和动态扫描显示两种。静态
显示是指将一幅画面输入以后要保持到下一幅画面的输入;动态显示是指将画面分为若
干部分分别进行刷新[0s]。静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为*nm
个像素屏，则需要*nm套驱动电路;动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是P路
复用的话，则每P个像素需一套驱动电路，*nm个像素仅需*n耐p套驱动电路。另外，
基于以太网的LED图文显示系统的设计
对于静态显示方式，需要较多的译码驱动装置，需要的引线也比较多;对于动态扫描显
示方式，可以避免以上不足，但是容易造成显示亮度低、屏幕闪烁等问题。在实际的
LED大屏幕显示中，很少有采用静态驱动的。
显示数据通常以字节的形式顺序存放在单片机的存储器中。在行扫描列控制显示
时，把显示数据从存储器中取出传送到每一行对应的列驱动器上，这就存在一个列数据
传输方式的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式，它
们各有优缺:数据并行传输的速度比较快，但是随着屏幕的增大，点阵模块数量的增多，
线路会越来越复杂;数据串行传输的速度比较慢，但它可以大大简化传输线路，对于大
屏幕来说，采用串行传输方式比较合适[30J。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱
动器，与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，
一直到一行的各列数据全部传输到位后，才能并行地进行显示。对于串行传输来说，数
据要经过并行到串行和串行到并行两次变换，因此列数据的准备时间可能相当长，在行
扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就少一些，以至影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方
法。即在显示本行各列数据的同时，准备下一行的列数据，这就需要列数据的显示具有
锁存功能。本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准
备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
(2)显示时间的分析
对于以动态扫描方式工作的显示系统，扫描时间的确定较为重要，根据人眼的视觉
暂留时间，若每秒显示二十四帧以上，便可得到稳定的显示，取每秒二十五帧，即完成
对全屏的一次扫描时间为4m0s，那么，只要每次完成对全屏的扫描时间不超过该值，
将会得到较为稳定的显示。从理论上讲，显示屏的大小是任意的，但从上面的分析可知，
显示屏做得越大，即屏幕的点阵规模越大，往显示屏上所送的数据就越多，数据传输与
控制的时间也会增加，即完成一屏扫描的时间也将越长，然而，40ms的时间却是固定
的，多于4Oms会有闪烁感。在设计显示屏的大小时，该因素是必需考虑的。为了满足
这一要求，关键在于提高处理器的程序执行速度，可以选择更快的CpU，或数字信号处
理芯片(DsP)。事实上，ELD显示屏控制器，要求的数字信号处理能力并不高，主要要
求的是显示数据的访问和控制信号的产生。对于这两项功能，采用基于ARM核的32
位嵌入式RISC微处理器是完全可以胜任的。基于ARM核的32位微处理器的速度不仅
比8位/16位单片机执行程序的速度要高得多，而且存储容量要大得多，因此，本论文
采用基于ARM核的犯位嵌入式RISC微处理器组成LED屏幕显示系统的控制器，与
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