基于MBI5024的多彩LED點(diǎn)陣模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張學(xué)成，曾素瓊

(嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東梅州514015)

0 引言

LED電子顯示屏是利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)的微電子﹑光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展而形成的一種新型信息顯示媒體.在信息顯示領(lǐng)域中迅速成長(zhǎng)為平板顯示的主流產(chǎn)品.彩色LED點(diǎn)陣顯示屏在此基礎(chǔ)上也迅速發(fā)展起來(lái)，但當(dāng)前市場(chǎng)上的彩色LED點(diǎn)陣顯示屏造價(jià)過(guò)高，難于普及應(yīng)用.因此，設(shè)計(jì)一款能讓市場(chǎng)接受的較低造價(jià)的彩色LED點(diǎn)陣點(diǎn)陣模塊或像素單元便有著廣闊的市場(chǎng)前景.

1 模塊設(shè)計(jì)方案三基色混色原理

1.1 三基色混色原理

三基色RGB是指紅、綠、藍(lán)三色，人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)最為敏感，大多數(shù)的顏色可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例合成產(chǎn)生，同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅、綠、藍(lán)三種色光［1］.這是色度學(xué)的最基本原理，即三基色原理.

紅、綠、藍(lán)三基色按照一定比例相加合成混色稱(chēng)為相加混色:黃色由一定比例的紅色和綠色相加混色得到;青色由一定比例的綠色和藍(lán)色相加混色得到;品紅色由一定比例的紅色和藍(lán)色相加混色得到;而紅、綠、藍(lán)三基色按一定比例相加混色得到白色.

為達(dá)到顯示各種顏色的效果(即:混合色的色調(diào)和色飽和度)，依據(jù)三基色光配成標(biāo)準(zhǔn)白光所需三基色光通量的比例，在上述混色表達(dá)式中各基色加上一定的比例系數(shù).配成標(biāo)準(zhǔn)白光所需三基色光通量(紅色:綠色:藍(lán)色)的比例約為3∶6∶1.

1.2 模塊設(shè)計(jì)方案

采用模塊化設(shè)計(jì)，利用三基色相加混色原理，將三基色高亮LED制成16×3×16點(diǎn)陣模塊，模塊的四周加上模塊的串聯(lián)接口，可靈活方便地拼接各種規(guī)格(行、列點(diǎn)陣數(shù)為16的整數(shù)倍)的平板顯示媒體，同一行的模塊拼接時(shí)共用一組點(diǎn)陣橫向驅(qū)動(dòng)控制;同理，同一列上的模塊共用一組列向驅(qū)動(dòng)模塊，這樣可節(jié)省很多驅(qū)動(dòng)控制電路，這也是低成本設(shè)計(jì)的主要體現(xiàn)，但作為單一的獨(dú)立模塊使用時(shí)硬件成本相對(duì)較高，并無(wú)低成本優(yōu)勢(shì).模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖如圖1所示.

2 模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成框圖

硬件組成框圖如圖2所示，利用三基色相加混色原理，由紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED組合成1個(gè)像素點(diǎn)，各像素點(diǎn)按陣列結(jié)構(gòu)組成行、列各16像素點(diǎn)的16×16點(diǎn)陣模塊，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式控制，驅(qū)動(dòng)電路由列向驅(qū)動(dòng)和橫向驅(qū)動(dòng)共同完成［2～4］.

2.2 橫向驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

橫向驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，由于設(shè)計(jì)中使用的16位元恒流驅(qū)動(dòng)器MBI5024的輸出是低有效輸出，因此，每個(gè)像素點(diǎn)中的RGB三個(gè)發(fā)光二極管采用共陽(yáng)接法，為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式控制，將同一像素行的所有共陽(yáng)接點(diǎn)聯(lián)接在一起構(gòu)成點(diǎn)陣行控制線(xiàn)(橫向驅(qū)動(dòng)).每個(gè)模塊有16路像素行，為節(jié)省主控制器(MCU)的I/O資源，采用1個(gè)4線(xiàn)/16線(xiàn)的譯碼器譯碼，再經(jīng)16組由中功率PNP三極管及若干電阻組成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊的橫向驅(qū)動(dòng)控制［5］.

2.3 列向驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

列向驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，模塊由3個(gè)LED專(zhuān)用16位元恒流驅(qū)動(dòng)器MBI5024組成，分別負(fù)責(zé)紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色橫向點(diǎn)陣控制.

圖4 列向驅(qū)動(dòng)電路圖

每種基色單獨(dú)使用1塊LED專(zhuān)用16位元恒流驅(qū)動(dòng)器(MBI5024)，三基色串行數(shù)據(jù)獨(dú)立與各自MBI5024的串行數(shù)據(jù)輸入端(SDI)連接，所有MBI5024的輸出允許控制端(/OE)、數(shù)據(jù)鎖存控制端(LE)、串行時(shí)鐘輸入端(CLK)都對(duì)應(yīng)并接由MCU同步控制，MBI5024的 16位并行輸出端(OUT0－OUT15)經(jīng)限流電阻分別接點(diǎn)陣相應(yīng)列控制線(xiàn)上(列向驅(qū)動(dòng))，串行數(shù)據(jù)輸出端(SDO)作為模塊的串聯(lián)數(shù)據(jù)輸出端，連接到下一個(gè)模塊的串行輸入端，其他控制端直接與下一個(gè)模塊的相應(yīng)端聯(lián)接.如此一級(jí)級(jí)地往后串聯(lián)實(shí)現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)信息的列向驅(qū)動(dòng)控制［6］.由于每種基色單獨(dú)使用1塊LED專(zhuān)用16位元恒流驅(qū)動(dòng)器(MBI5024)，通過(guò)設(shè)置控制16位元恒流驅(qū)動(dòng)器輸出電流的外接電阻值，就可分別調(diào)節(jié)紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色LED的亮度，即通過(guò)設(shè)定3塊MBI5024芯片外接電阻值的比例就可設(shè)定三基色光通量的比例，進(jìn)而達(dá)到各種顏色的混色效果(即:混合色的色調(diào)和色飽和度).

3 模塊的應(yīng)用

3.1 模塊應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

模塊可單獨(dú)使用，即16×16點(diǎn)陣，也可以由多模塊拼接成16A×16B點(diǎn)陣(A、B分別為每行、每列的模塊數(shù))的大屏幕平板顯示器.圖5給出了單位掃描塊電路的模塊拼接示意圖，在單位掃描塊范圍內(nèi)所有行點(diǎn)陣共用一組列向驅(qū)動(dòng)電路［7］，如模塊00、01、…、0x，模塊10、11、…、1x;所有列點(diǎn)陣共用一組橫向驅(qū)動(dòng)電路［7］，如模塊00、10、…、y0，模塊01、11、…、y1.受驅(qū)動(dòng)能力及顯示刷新率指標(biāo)的限制，每單位掃描塊模行模塊數(shù)和列模塊數(shù)都會(huì)受到一定的制約，即A、B的值不能太大，但每個(gè)系統(tǒng)可控制多個(gè)單位掃描塊電路.

相對(duì)于當(dāng)前市場(chǎng)上的LED顯示器，它的每個(gè)模塊都采用獨(dú)立的橫向驅(qū)動(dòng)和列向驅(qū)動(dòng)控制電路的驅(qū)動(dòng)方式，多少模塊就需要多少組驅(qū)動(dòng)電路，而按圖5給出的示意圖設(shè)計(jì)的LED顯示器在硬件成本上就有極大的優(yōu)越性:模塊00橫向、列向驅(qū)動(dòng)電路都必須有，模塊01及第0行后續(xù)的所有模塊(即模塊0x)都是只需要列向驅(qū)動(dòng)電路就行，模塊10及第0列后續(xù)的所有模塊(即模塊y0)都是只需要橫向驅(qū)動(dòng)電路，而中間的所有模塊如模塊11等則橫向、列向驅(qū)動(dòng)都不用(只剩下LED點(diǎn)陣了)，直接與第0行共用列向驅(qū)動(dòng)，與第0列共用橫向驅(qū)動(dòng).由此可知，這樣做可以節(jié)省大量硬件資源，從而降低造價(jià).例如，以80×160像素為單位掃描塊組成160×160像素點(diǎn)陣屏，所需模塊總數(shù)為100塊，這些模塊的驅(qū)動(dòng)中只有2塊是需要完整的橫向、列向驅(qū)動(dòng)，18塊只需列向驅(qū)動(dòng)，8塊只需橫向驅(qū)動(dòng)，而其余的72塊都不需任何驅(qū)動(dòng)，只要LED像素點(diǎn)陣就行了.故以這種方式設(shè)計(jì)的160×160像素點(diǎn)陣屏，100塊模塊中只需10組橫向驅(qū)動(dòng)和20組列向驅(qū)動(dòng)，因此，橫向驅(qū)動(dòng)可以節(jié)省90%的硬件資源、列向驅(qū)動(dòng)則可節(jié)省80%的硬件資源.掃描塊的大小以及采用多少個(gè)掃描塊，應(yīng)在確保顯示無(wú)閃爍感和足夠的顯示亮度的前提下，再根據(jù)整屏點(diǎn)陣數(shù)量和結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)×寬)來(lái)合理設(shè)計(jì).

3.2 模塊應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制軟件設(shè)計(jì)流程主要遵循以下2個(gè)方面:第一，MCU對(duì)所有單位掃描塊的控制都是同步進(jìn)行的，對(duì)單位掃描塊哪一行控制及控制內(nèi)容(即傳送數(shù)據(jù)、數(shù)鎖存、并行數(shù)據(jù)輸出、行顯示、行消隱)都是同時(shí)進(jìn)行的;第二，對(duì)單位掃描塊的控制細(xì)則:在顯示第n行的同時(shí)進(jìn)行第(n+1)行(如果n是單位掃描塊最后一行則改為第1行)的數(shù)據(jù)傳送，一行數(shù)據(jù)傳送結(jié)束則進(jìn)行列向驅(qū)動(dòng)控制中禁止并行數(shù)據(jù)輸出(即消隱:全屏關(guān)顯示)，消隱期間進(jìn)行新數(shù)據(jù)的鎖存控制，然后將橫向控制指向下一行導(dǎo)通(如果已是單位掃描塊的最后一行則回到單位掃描塊的第一行導(dǎo)通)，最后開(kāi)啟列向驅(qū)動(dòng)控制中的并行數(shù)據(jù)輸出(即開(kāi)始顯示新的一行像素)，如此重復(fù).

為了保證顯示無(wú)閃爍感，根據(jù)人眼的視覺(jué)特性，必須保證幀頻不低于40 Hz，這就要求刷新單位行掃描塊所用的時(shí)間必須小于25 mS.刷新單位行掃描塊所用的時(shí)間t由傳送一位數(shù)據(jù)所需時(shí)間t1和一行的點(diǎn)陣數(shù)x、單位掃描塊的行數(shù)y、MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)鎖存輸出等操作所需時(shí)間t2確定:

4 結(jié)語(yǔ)

為降低硬件成本，在保證顯示不閃爍前提下，單位掃描塊的行數(shù)盡可能設(shè)計(jì)的大些;同時(shí)，為保證顯示不閃爍盡可能地提高M(jìn)CU的工作時(shí)鐘，在較高M(jìn)CU工作時(shí)鐘(即t1和t2較小)的情況下，并盡可能地加大發(fā)光二極管LED的工作電流以保證足夠的顯示亮度.在研制的彩色LED點(diǎn)陣顯示屏樣機(jī)中，按80×160像素為單位掃描塊，由2個(gè)單位掃描塊組成160×160像素點(diǎn)陣屏，采用單時(shí)鐘機(jī)器周期MCU作主控制器，當(dāng)工作頻率為11.059 2 MHz時(shí)顯示圖文信息亮度偏高但閃爍非常明顯，但把工作頻率改為18.432 MHz后，顯示圖文信息效果良好，亮度合適且不閃爍.

［1］王川.彩色電視機(jī)原理與維修［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［2］張振榮，晉明武，王毅平.MCS51單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2000.

［3］吳金戌，沈慶陽(yáng)，郭庭吉.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版，2002.

［4］張學(xué)成，曾素瓊.一種可擴(kuò)充LED點(diǎn)陣顯示模塊及其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2007(7):123－124.

［5］鄧元慶，關(guān)宇，賈鵬.數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［6］聚積科技.MBI5024規(guī)格書(shū)［EB/OL］.http://www.gzneon com/support/datasheet/mbi5024.pdf，2005－06.

［7］張學(xué)成.基于電力線(xiàn)載波模塊的LED點(diǎn)陣圖文顯示系統(tǒng)［J］.液晶與顯示，2011(3):350－353.