LED顯示屏（LED display）：又叫電子顯示屏或者飄字屏幕。是由LED點陣組成，通過紅色或綠色燈珠的亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻，內(nèi)容可以隨時更換，各部分組件都是模塊化結(jié)構(gòu)的顯示器件。通常由顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。顯示模塊由LED燈組成的點陣構(gòu)成，負責發(fā)光顯示；控制系統(tǒng)通過控制相應區(qū)域的亮滅，可以讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內(nèi)容，恒舞動卡主要是播放動畫的；電源系統(tǒng)負責將輸入電壓電流轉(zhuǎn)為顯示屏需要的電壓電流。對于LED顯示屏這種主動發(fā)光體一般采用CD/平方米作為發(fā)光強度單位，并配合觀察角度為輔助參數(shù)，其等效于屏體表面的照度單位勒克司；將此數(shù)值與屏體有效顯示面積相乘，得到整個屏體的在視角上的發(fā)光強度，假設屏體中每個像素的發(fā)光強度在相應空間內(nèi)恒定，則此數(shù)值可被認為也是整個屏體的光通量。一般室外LED顯示屏須達到4000CD/平方米以上的亮度才可在日光下有比較理想的顯示效果。普通室內(nèi)LED,亮度在700~2000 CD/平方米左右。 單個LED的發(fā)光強度以CD為單位，同時配有視角參數(shù)，發(fā)光強度與LED的色彩沒有關系。單管的發(fā)光強度從幾個mCD到五千mCD不等。LED生產(chǎn)廠商所給出的發(fā)光強度指LED在20mA電流下點亮，視角上及中心位置上發(fā)光強度的點。

　　1 顯示數(shù)據(jù)組織

　　大多時候需要顯示的區(qū)域大于或等于實際顯示的區(qū)域，相等以及小于時為靜態(tài)顯示，圖1所示的是需要顯示的區(qū)域大于實際顯示的區(qū)域。為了簡化問題的分析，本文將顯示區(qū)域高度設置為LED顯示屏高度的4倍，寬度等于LED顯示屏寬度，顯示屏的高度為 ，寬度為，則顯示區(qū)域高度 ，寬度 ，掃描線條數(shù) ，本文以單色顯示作為描述對象，且 （ 為輸出數(shù)據(jù)寬度），如圖1所示。

　　圖1 顯示區(qū)域圖

　　對于一個LED顯示屏寬度為 ，高度為 確定后，顯示屏單元板的排列方式也就被確定了，單元板相鄰的兩條掃描線之間的距離為 ，顯示屏有 條掃描線，分別是， ，… ，每 行對應一位顯示數(shù)據(jù)，顯示屏上的每一個點對應于存儲器中某個字節(jié)的某一位。各掃描線的起始位置如圖1所示， 條掃描線分別指向 ， ，…， 。用靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)組織方法分別對顯示塊A、B、C、D組織顯示數(shù)據(jù)［2］。首先對顯示塊A的顯示信息進行組織：

　?、?IMG border=0 alt="" src="https://image.dzsc.com/data/2011/06/28/20110628225131546.jpg" width=43 height=19> ，即當前掃描線各行與第0列相交各點的顯示數(shù)據(jù)按 ， ，…， 的順序存儲在存儲器的個存儲單元中。

　?、?IMG border=0 alt="" src="https://image.dzsc.com/data/2011/06/28/20110628225131562.jpg" width=19 height=17> 值增加1，當前掃描線各行與 值對應列相交各點的顯示數(shù)據(jù)存儲在存儲器的下一個存儲單元中。

　?、壑貜偷?eq oac（○，2）2步的操作，將 至 的 個數(shù)據(jù)按順序全部存儲在存儲器中。

　?、?IMG border=0 alt="" src="https://image.dzsc.com/data/2011/06/28/20110628225131437.jpg" width=21 height=24> 條掃描線向下移動一行，重復第 eq oac（○，1）1至 eq oac（○，3）3步。直到 移動到 行時。

　　⑤數(shù)據(jù)組織結(jié)束。

　　顯示區(qū)域B、C、D，分別按照A的數(shù)據(jù)組織方式去組織顯示數(shù)據(jù)。組織后的顯示數(shù)據(jù)塊按A、B、C、D的順序存儲在RAM0里，然后將RAM0中的顯示數(shù)據(jù)塊A、B、C、D按B、C、D、A的順序拷貝到RAM1中，任何兩個相鄰顯示塊的顯示數(shù)據(jù)分別在兩塊RAM中都有相同地址存儲區(qū)域。RAM0 和RAM1的顯示數(shù)據(jù)與存儲器的對應關系如圖2所示。

　　圖2 數(shù)據(jù)塊與存儲器之間的排列圖

　　RAM（隨機存取存儲器）RAM -random access memory 隨機存儲器。存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內(nèi)容，故主要用于存儲短時間使用的程序。 按照存儲信息的不同，隨機存儲器又分為靜態(tài)隨機存儲器（Static RAM,SRAM）和動態(tài)隨機存儲器（Dynamic RAM,DRAM）?，F(xiàn)代的隨機存取存儲器依賴電容器存儲數(shù)據(jù)。電容器充滿電后代表1（二進制），未充電的代表0.由于電容器或多或少有漏電的情形，若不作特別處理，數(shù)據(jù)會漸漸隨時間流失。刷新是指定期讀取電容器的狀態(tài)，然后按照原來的狀態(tài)重新為電容器充電，彌補流失了的電荷。需要刷新正好解釋了隨機存取存儲器的易失性。

　　采用雙RAM并行輸出時的幾種情況，如圖2所示，掃描組1從 到 ，對應顯示塊A，數(shù)據(jù)已組織存放在存儲器中，可以直接輸出顯示數(shù)據(jù)；掃描組2從 到 ，對應顯示塊B也已經(jīng)組織好，可以直接輸出。但是掃描組3，它的位置非同一般，它的掃描線分別對應著兩個塊A和B，第0，1，… 條掃描線分別對應顯示塊A掃描組1的1，2，…， ，而第 條掃描線對就顯示塊B掃描組2的第0條掃描線，如果要在顯示屏上顯示掃描組3對應的這一屏數(shù)據(jù)，就一定要同時使用到掃描組1的第1，2，…， 條掃描線和掃描組1的第0條掃描線組織的顯示數(shù)據(jù)作為輸出數(shù)據(jù)。由于顯示塊A和B的顯示數(shù)據(jù)是分別組織的，這時就要取RAM0的，，…， 和RAM1的 位作為輸出到顯示屏的 位數(shù)據(jù)，這就需要在兩塊RAM同時輸出的2 位中選擇需要的 位作為輸出數(shù)據(jù)，并且這 位數(shù)據(jù)是連續(xù)的 位數(shù)據(jù)。

　　顯示步驟（在此，只考慮垂直移動顯示效果）：雙RAM技術將顯示數(shù)據(jù)輸出的時候，是將兩塊RAM中相同地址的兩個數(shù)據(jù)同時輸出。所以，如果設置RAM0為主存儲器，RAM1為從存儲器，則將兩塊RAM的顯示數(shù)據(jù)存在一塊串行存儲器中的時候，偶地址單元應存儲RAM0的數(shù)據(jù)，奇地址單元存儲RAM1的數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)寬度為8，所以每次輸出16位數(shù)據(jù)。如果顯示區(qū)域中以（ ， ）點為顯示起始點，在LED屏上顯示一屏顯示信息，則其數(shù)據(jù)選擇控制位只與 、掃描線和掃描寬度 有關［3］。顯示區(qū)域的起始行坐標為 ，一塊顯示區(qū)域有 行，則 所在的塊為：

　　這里討論 在實際顯示區(qū)域的坐標沒有多大意義，只須注意 在當前顯示塊的相對坐標， 就是 在當前顯示塊的相對縱坐標，則相對坐標為（ ， ）。動態(tài)顯示的基礎是靜態(tài)顯示，靜態(tài)顯示以從特定行顯示一屏為特征，當顯示屏從第 行開始顯示信息時，因為一塊顯示區(qū)域有 個數(shù)據(jù)，則 所在塊顯示數(shù)據(jù)的起始地址為：

　　一塊顯示區(qū)域分為 個區(qū)，如圖2所示，則 所在的分區(qū)記作：

　　一區(qū)存放有 個顯示數(shù)據(jù)，所以 所在分區(qū)地址與所在塊起始地址之間的相對偏移地址為 。所以，只要知道了顯示信息的起始行坐標，就能得到顯示數(shù)據(jù)在存儲器中的存儲地址。

　　因為 ，記 ，表示顯示信息跨越兩個數(shù)據(jù)塊時，需要選擇的數(shù)據(jù)位數(shù)。存儲器輸出16位數(shù)據(jù) 后，從 位控制選擇連續(xù)的8位數(shù)據(jù) 輸出到顯示屏。當數(shù)據(jù)從一個字節(jié)的 位開始輸出16位時，如 ，前面8位在當前顯示是多余的幾位數(shù)據(jù)，后面8位數(shù)據(jù) 正好是要輸出到顯示屏的8位數(shù)據(jù)，當這16位數(shù)據(jù)串行輸出到一個8位的移位寄存器中時，移位寄存器剛好可以容納高8位數(shù)據(jù)，并將其輸出顯示。之后各列數(shù)據(jù)的輸出情況同樣如此，不需要額外的指令或電路來對輸出數(shù)據(jù)進行選擇輸出。

          只是在每行列數(shù)據(jù)輸出前，通過單片機模擬i個時鐘脈沖輸出到存儲器，讓輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯位，使數(shù)據(jù)從 位開始輸出。另外有一種情況，當顯示信息剛好是A、B、C、D塊中的某一塊時，無須產(chǎn)生模擬脈沖對數(shù)據(jù)進行選擇，而是直接將數(shù)據(jù)輸出顯示。通過分析可知，SPI模塊剛好具有這個功能，通過單片機額外模擬 個時鐘脈沖，輸出到串行存儲器的時鐘信號端，可以使數(shù)據(jù)錯位，從指定的某一位 開始輸出。當顯示信息跨越 區(qū)間時，此時如果一場顯示還沒有完畢，內(nèi)存地址應返回到 所在塊的起始地址，并從起始地址開始輸出顯示數(shù)據(jù)，單片機模擬的脈沖數(shù) 也相應發(fā)生變化［4］。

　　2   LED顯示屏控制系統(tǒng)設計

　　為了簡化電路，提高數(shù)據(jù)輸出效率，本控制系統(tǒng)采用RAMTRON（瑞創(chuàng)）公司的帶SPI功能模塊的VRS51L3074單片機，如圖3所示。VRS51L3074單片機的時鐘頻率為40MHz，指令周期短，處理速度快，效率可以與ARM處理器媲美，但是ARM處理器的價格要高得多。VRS51L3074單片機工作電壓在3.3V左右，但是可以兼容5V［5］。

　　圖3 LED顯示屏控制電路

　　2.1 VRS51L3074的SPI功能模塊

　　SPI 是英文Serial Peripheral Interface的縮寫，中文意思是串行外圍設備接口，SPI是Motorola公司推出的一種同步串行通訊方式，是一種四線同步總線，因其硬件功能很強，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（用于單向傳輸時，也就是半雙工方式）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCLK（時鐘），CS（片選）。

　　VRS51L3074單片機的SPI時鐘頻率可以在 范圍內(nèi)調(diào)整，SPI時鐘頻率可以達到20MHz［6］。當VRS51L3074作為SPI主機時，可以對SPI運行控制、配置和狀態(tài)監(jiān)控以及其他的一些工作環(huán)境進行設置：

　　配置寄存器SPICONFIG：主要對片選信號控制模式、SPI中斷進行設置。

　　狀態(tài)寄存器SPISTATUS：主要用于對SPI運行狀態(tài)的監(jiān)控。

　　傳輸字長寄存器SPISIZE：設置傳輸字長，本文設置為16位，即每次輸出16位數(shù)據(jù)。

　　控制寄存器SPICTRL：對SPI時鐘速率、時鐘相位/極性、片選信號，以及SPI時鐘頻率進行設置。

　　數(shù)據(jù)寄存器SPIRXTX0~ SPIRXTX3：用于對SPI接口32位收發(fā)緩沖器的訪問，對數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫操作是將數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖器中，對數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行讀操作是從接收緩沖器中取出收到的數(shù)據(jù)。SPI接口的發(fā)送和接收緩沖器都采用雙緩沖結(jié)構(gòu)，從硬件上減少數(shù)據(jù)沖突并提高數(shù)據(jù)傳輸效率。在主模式下對SPIRXTX0寄存器執(zhí)行寫入操作將啟動SPI傳輸。當傳輸字各行長大于8時，應向SPIRXTX0寄存器寫入。

　　向串行FLASH輸入控制信號和數(shù)據(jù)地址后，啟動串行FLASH傳輸數(shù)據(jù)，在SPI時鐘驅(qū)動下，輸出顯示數(shù)據(jù)。并且可以用單片機模擬串行FLASH時鐘信號控制任意位數(shù)據(jù)輸出。

　　2.2  數(shù)據(jù)選擇控制電路

　　設計的LED顯示屏控制系統(tǒng)如圖3所示，VRS51L3074單片機內(nèi)部自帶的40MHz振蕩器，不需要外部晶振電路提供系統(tǒng)時鐘，顯示數(shù)據(jù)使用內(nèi)存為16Mb的SST25VF016B，這是一款具有SPI接口的8PIN串行FLASH［7］。雙RAM技術輸出顯示數(shù)據(jù)的時候，是將兩塊RAM中相同地址的兩個數(shù)據(jù)同時輸出，所以，將兩塊RAM的顯示數(shù)據(jù)存放在一塊串行存儲器中的時候，偶地址單元應存儲RAM0的數(shù)據(jù)，奇地址單元存儲RAM1的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出時，每次輸出16位數(shù)據(jù)。串行存儲器和單片機的工作電壓都在3.3V左右，但是VRS51L3074單片機可以兼容5V，簡化了控制電路?？刂菩盘柡惋@示數(shù)據(jù)在輸出到寄存器74LS164和顯示屏的時候，需要用74LVC07進行電平轉(zhuǎn)換。

　　控制系統(tǒng)控制顯示數(shù)據(jù)輸出的流程為：

　?、賹呙杈€行地址通過P2端口的低四位送給LED顯示屏。

　?、谕ㄟ^顯示數(shù)據(jù)在顯示區(qū)域中的位置，計算顯示數(shù)據(jù)在存儲器中的地址，并計算出數(shù)據(jù)選擇的位數(shù) 。

　　③通過單片機P3.0口模擬移位脈沖，輸出到串行FLASH時鐘信號，移位脈沖數(shù)由數(shù)據(jù)選擇位數(shù) 決定。使輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯位，正確的選擇輸出顯示數(shù)據(jù)。

　?、軉覵PI讀取顯示數(shù)據(jù)， SPI傳輸字長設置為16位。模擬脈沖已經(jīng)輸出到串行FLASH使數(shù)據(jù)產(chǎn)生了錯位，輸出16位數(shù)據(jù) ，輸出到顯示屏的數(shù)據(jù) 在高8位，經(jīng)過移位剛好可以存放在移位寄存器中，每行個數(shù)據(jù)輸出后，以后此行各列數(shù)據(jù)都是直接輸出。

　?、?6位數(shù)據(jù)輸出完畢后，通過P3.1腳產(chǎn)生一個SCK脈沖，將移位寄存器74LS164中的數(shù)據(jù)輸出移入到單元板的74HC595串行移位寄存器中。

　?、拗貜偷?eq oac（○，4）4至 eq oac（○，5）5步，直到一行數(shù)據(jù)全部輸出完畢后，由P3.2 產(chǎn)生一個RCK脈沖，讀取的一行數(shù)據(jù)將輸出顯示，然后掃描線下移一行。

　?、咧貜偷?eq oac（○，1）1至 eq oac（○，6）6步。

　　此電路有這樣幾個特點：顯示數(shù)據(jù)從串行FLASH輸出后，不經(jīng)單片機的處理，直接以“DMA”方式輸出到移位寄存器74LS164，同時實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，節(jié)省數(shù)據(jù)處理時間，提高顯示效率；在每場數(shù)據(jù)輸出之前，通過信息在顯示區(qū)域中的地址計算數(shù)據(jù)選擇位數(shù) ，并通過P3.0 端口模擬 個脈沖輸出到串行FLASH，移出 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯位，使輸出顯示的數(shù)據(jù)在16位輸出數(shù)據(jù)的高8位，可以直接存放在移位寄存器中，輸出到顯示屏，以后同行各列的顯示數(shù)據(jù)輸出時，無需再進行數(shù)據(jù)選擇位的判斷，直接將顯示數(shù)據(jù)從存儲器中輸出到顯示屏。

　　存儲器效率分析：

　　表1 存儲器效率存儲器

　　觀察表1可知，在垂直移動顯示使用雙RAM技術組織，大大提高了存儲器效率，降低了顯示數(shù)據(jù)存儲器的占用。當顯示信息比較大時，動態(tài)數(shù)據(jù)組織使用的存儲器比較大，利用率低，而采用雙RAM技術正好解決這個問題。一塊RAM的效率是100%，雙RAM是50%，當有N塊RAM時，效率為 。

　　3 程序設計

　　針對圖3所示控制電路，按照數(shù)據(jù)輸出控制流程，編寫了一段程序，隨機顯示一屏信息，顯示數(shù)據(jù)已按順序存儲在串行FLASH中。

　　Flash的前身是Future Wave公司的Future Splash,是世界上個商用的二維矢量動畫軟件，用于設計和編輯Flash文檔。1996年11月，美國Macromedia公司收購了Future Wave,并將其改名為Flash.在出到Flash 8以后，Macromedia又被Adobe公司收購。版本為：Adobe Flash Professional CS5.5.Flash通常也指Macromedia Flash Player（現(xiàn)Adobe Flash Player），用于播放Flash文件。Flash被大量應用于互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁的矢量動畫設計。   因為使用向量運算﹙Vector Graphics﹚的方式，產(chǎn)生出來的影片占用存儲空間較小。 使用Flash創(chuàng)作出的影片有自己的特殊檔案格式﹙swf﹚， 該公司聲稱全世界97%的網(wǎng)絡瀏覽器都內(nèi)建Flash播放器﹙Flash Player﹚ Flash是Macromedia提出的"富因特網(wǎng)應用"（RIA）概念的實現(xiàn)平臺

　　void display（unsigned int YL）

　　{ unsigned int i，j，p;

　　unsigned char line， unit_board_num， board_i;

　　unsigned char code *ram_point， *block_addr，* region_addr，* ram_begin_addr;

　　block_addr=YL/（Bw*Sw） * （Sw*Dw）; //所在塊的起始地址

　　region_addr=（YL%Sw）*Dw; /所在區(qū)的相對塊的相對地址

　　i=YL/Sw;

　　region_recod=YL%Sw; //此變量記錄顯示數(shù)據(jù)已進入哪一區(qū)

　　ram_point=ram_begin_addr+block_addr+region_addr-1; // ram_begin_addr為數(shù)據(jù)起始地址

　　SPI_write_read（0x03）; //向串行FLASH發(fā)讀命令，0x03為讀控制字

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffffff）》》16））; //3字節(jié)24位地址

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffff）》》8））;

　　SPI_write_read （ram_point & 0xff）;

　　unit_board_num=Dw/64; //計算單元板的數(shù)量

　　for（p=0;p

　　{ SCK=0; SCK=1; }

　　SCK=0;

　　for（line=0;line

　　{ SPISIZE=0x0f; //設置2字節(jié)16位傳輸方式

　　for（ board_i=0;board_i

　　{ for（j=0;j《64;j++）

　　{ SPIRXTX0=ACC; //啟動數(shù)據(jù)傳輸出

　　while（（SPISTATUS & BIT1） == 0）; //等待發(fā)送（接收）完成

　　LED_SCK=0;LED_SCK=1; //送入單元板

　　} }

　　EN=1； //換行時暫關閉

　　P2=（（P2&0xf0）|line）;

　　if（region_recod》=Sw）

　　{ ram_point=ram_begin_addr+block_addr-1;

　　SPISIZE=0x07;

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffffff）》》16））;

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffff）》》8））;

　　SPI_write_read （ram_point & 0xff）;

　　region_recod=0; i++;

　　if（i《=7）

　　for（p=0;p

　　{ SCK=0; SCK=1; }

　　SCK=0; }

　　RCK=1; RCK=0； //產(chǎn)生74HC595輸出鎖存信號

　　EN=0; } //開顯示

　　unsigned char SPI_write_read （unsigned char Wr_Rd_Data）

　　{ unsigned char Temp_Flag;

　　SPDR= Wr_Rd_Data; //啟動SPI發(fā)送或接收

　　do //判斷發(fā)送或接收是否完成

　　{ Temp_Flag=SPSR&0x80;

　　}while（Temp_Flag！=0x80）;

　　SPSR=SPSR&0x7F; //清SPI發(fā)送或接收完成標志

　　return SPDR; } //返回SPI接收到的數(shù)據(jù)

　　結(jié) 論

　　本控制系統(tǒng)利用串行FLASH在輸出數(shù)據(jù)時的特點，的減少了數(shù)據(jù)處理的時間，將顯示數(shù)據(jù)以"DMA"方式輸出到顯示屏，提高顯示效率，并且彌補長條顯示屏在顯示信息上的不足。雙RAM技術大大提高了垂直移動時的存儲器使用效率，所有的數(shù)據(jù)塊都是按靜態(tài)顯示方式組織數(shù)據(jù)，所以每一塊RAM的顯示數(shù)據(jù)效率都是100%,雙RAM的效率為50%.

　　本文顯示數(shù)據(jù)存放在一塊FLASH中，效率也為50%,相比動態(tài)顯示組織方式，降低了垂直移動時顯示數(shù)據(jù)存儲器的占用，提高存儲效率。還可以雙RAM技術為基礎，擴展出多RAM方式，提高顯示的高度，增加每屏顯示信息，進一步提高存儲效率。本系統(tǒng)仍有改進的空間，譬如以雙RAM組織顯示數(shù)據(jù)后直接用兩個RAM來存放不同的數(shù)據(jù)，控制顯示數(shù)據(jù)直接輸出，提高輸出速率。