LED點(diǎn)陣電子顯示屏動(dòng)態(tài)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

1、引言

LED點(diǎn)陣電子顯示屏是集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示屏系統(tǒng)。它以其色彩鮮艷，動(dòng)態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)而成為眾多顯示媒體以及戶外作業(yè)顯示的理想選擇。同時(shí)也可廣泛應(yīng)用到軍事、車(chē)站、賓館、體育、新聞、金融、證券、廣告以及交通運(yùn)輸?shù)仍S多行業(yè)。

目前大多數(shù)的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)自帶字庫(kù)。其顯示和動(dòng)態(tài)效果（主要是顯示內(nèi)容的滾動(dòng)）的實(shí)現(xiàn)主要依靠硬件掃描驅(qū)動(dòng)，該方法雖然比較方便，但顯示只能按照預(yù)先的設(shè)計(jì)進(jìn)行。而實(shí)際上經(jīng)常會(huì)遇到一些特殊要求的動(dòng)態(tài)顯示，比如電梯運(yùn)行中指示箭頭的上下移動(dòng)、某些智能儀表幅值的條形顯示、廣告中廠家的商標(biāo)顯示等。這時(shí)一般的顯示系統(tǒng)就很難達(dá)到要求。

另外，由于受到存儲(chǔ)器本身的局限，其特殊字符或圖案也往往難以顯示，同時(shí)顯示內(nèi)容也不能隨意更改。本文提出一種利用PC機(jī)和單片機(jī)控制的LED顯示系統(tǒng)通訊方法。該方法可以對(duì)顯示內(nèi)容（包括漢字和特殊圖符）進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)諸如閃動(dòng)、滾動(dòng)、打字等多種動(dòng)態(tài)顯示效果。該方法同時(shí)還可以調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)顯示的速度，同時(shí)用戶也可以在PC機(jī)上進(jìn)行顯示效果的預(yù)覽，顯示內(nèi)容亦可以即時(shí)修改。另外，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232／485轉(zhuǎn)換模塊還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要的硬件設(shè)計(jì)是下位機(jī)單片機(jī)的顯示控制部分。而上位機(jī)（PC機(jī)）與單片機(jī)顯示控制部分的接口為標(biāo)準(zhǔn)RS232通訊方式。若需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，只需增加RS232／485轉(zhuǎn)換模塊即可，該部分已有成熟的電路設(shè)計(jì)，故不再詳細(xì)敘述。

具體的LED顯示屏控制電路如圖1所示。整個(gè)電路由單片機(jī)89C52、點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264、列驅(qū)動(dòng)電路ULN2803、行驅(qū)動(dòng)電路TIP122、移位寄存器4094及附屬電路組成。該電路所設(shè)計(jì)的電子屏可顯示10個(gè)漢字，需要40個(gè)8×8LED點(diǎn)陣模塊，可組成16×160的矩形點(diǎn)陣。由于AT89C52僅有8k存儲(chǔ)空間，而顯示的內(nèi)容由PC機(jī)控制，因此不可能預(yù)先把需要顯示的內(nèi)容做成點(diǎn)陣存在單片機(jī)中，而只能由PC機(jī)即時(shí)地把所需顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)并存入緩沖區(qū)6264。

該電路的顯示采用逐行掃描方式。工作時(shí)，由單片機(jī)從緩沖區(qū)取出第一行需要顯示的20字節(jié)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，再由列點(diǎn)陣數(shù)據(jù)輸入端P1．2口按位依次串行輸入至列移位寄存器，其數(shù)據(jù)輸入的順序與顯示內(nèi)容的順序相反。然后置行點(diǎn)陣選通端P1．3為1，即置行移位寄存器的D為高電平，STR使能（所有4094的OE引腳接＋5V電平），從而使列移位寄存器中的數(shù)據(jù)同時(shí)并行輸出以選通該行。經(jīng)延時(shí)一段時(shí)間后再進(jìn)行下一行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的顯示。需要注意的是，每次只能選通一行數(shù)據(jù)，即要通過(guò)不斷的逐行掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)漢字或字符的顯示。

3、顯示與控制的設(shè)計(jì)

在筆者設(shè)計(jì)的PC機(jī)控制多單片機(jī)顯示系統(tǒng)中，用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括單片機(jī)顯示子系統(tǒng)的選擇，顯示方式選擇（包括靜態(tài)、閃動(dòng)、滾動(dòng)、打字等），滾動(dòng)方向選擇（包括上下滾動(dòng)和左右滾動(dòng)），動(dòng)態(tài)顯示速度調(diào)節(jié)（即文字閃動(dòng)頻率、滾動(dòng)速度、打字顯示速度等），顯示內(nèi)容輸入及顯示預(yù)覽等。單片機(jī)一般通過(guò)RS232／485串行接收PC機(jī)發(fā)出的顯示指采用定時(shí)器中斷方式進(jìn)行行掃描，每次中斷顯示一行，定時(shí)中斷時(shí)間為1．25ms，這樣整屏的刷新率為50Hz，因而無(wú)閃爍感。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示速度調(diào)節(jié)的方法通常是改變定時(shí)器的中斷時(shí)間，但是當(dāng)顯示速度很慢的時(shí)候，該方法容易使整屏的刷新率降低，從而使顯示內(nèi)容出現(xiàn)閃爍。因此，本設(shè)計(jì)采用一種“軟定時(shí)”方法，即在程序中命名一變量作為“軟定時(shí)器”，以用來(lái)設(shè)定兩次動(dòng)態(tài)顯示的時(shí)間間隔。在對(duì)定時(shí)中斷調(diào)用計(jì)數(shù)時(shí)，如果調(diào)用次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，則改變顯示內(nèi)容。為保證能夠正常顯示，“軟定時(shí)器”的設(shè)定值必須大于整屏顯示周期。由于顯示屏每行顯示1．25ms，整屏顯示周期為20ms，考慮到余量的情況，可將軟定時(shí)器的設(shè)定值定在大于30ms。如此循環(huán)計(jì)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。“軟定時(shí)器”的設(shè)定值可以通過(guò)上位機(jī)PC機(jī)來(lái)改變，這樣既可實(shí)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)顯示的速度調(diào)節(jié)，又可保持顯示內(nèi)容的流暢和無(wú)閃爍感。

3．1單片機(jī)動(dòng)態(tài)顯示控制

以上提到的靜態(tài)、閃動(dòng)、滾動(dòng)和打字等4種顯示方式，實(shí)際上是單片機(jī)定時(shí)中斷程序進(jìn)行行掃描處理的不同方法。下面將分別說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)這4種顯示方式。

靜態(tài)顯示只需在定時(shí)中斷處理程序中從顯示緩沖區(qū)調(diào)入相應(yīng)的一行顯示數(shù)據(jù)，然后選中該行即可實(shí)現(xiàn)該行的顯示，如此循環(huán)，便可顯示整個(gè)內(nèi)容。閃動(dòng)顯示與此類(lèi)似，不同的是要間隔一個(gè)“軟定時(shí)器”的定時(shí)時(shí)間，在行掃描時(shí)，行移位寄存器的D端打入的全為0，可使得整屏不顯示，以確保黑屏?xí)r間與顯示時(shí)間相等，從而實(shí)現(xiàn)漢字或圖符的閃動(dòng)顯示。

滾動(dòng)顯示要求需要顯示的內(nèi)容每隔一定時(shí)間向指定方向（這里以從右向左為例）移動(dòng)一列，這樣顯示屏可以顯示更多的內(nèi)容。為此，需要在下次移動(dòng)顯示之前對(duì)顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行更改，從而完成相應(yīng)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的移位操作。具體操作方法是：

設(shè)置一個(gè)顯示緩沖區(qū)（如圖2所示），該區(qū)應(yīng)包括兩部分：一部分用來(lái)保存當(dāng)前LED顯示屏上顯示的10個(gè)漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)；另一部分為點(diǎn)陣數(shù)據(jù)預(yù)裝載區(qū)，用來(lái)保存即將進(jìn)入LED顯示屏的1個(gè)漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。滾動(dòng)指針始終指向顯示屏的最右邊原點(diǎn)。當(dāng)滾動(dòng)指針移動(dòng)到需要顯示的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的第1個(gè)漢字的首地址時(shí)，顯示緩沖區(qū)LED顯示區(qū)為空白，而預(yù)裝載區(qū)已保存了第1個(gè)待顯示漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。當(dāng)需要滾動(dòng)顯示時(shí)，則可在接下來(lái)的掃描周期的每個(gè)行掃描中斷處理程序中，將對(duì)顯示緩沖區(qū)的相應(yīng)行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)左移一位，同時(shí)更改顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容。（需要注意的是，要確保該操作能在1．25ms的中斷時(shí)間內(nèi)完成。這里89C52采用22MHz晶振，實(shí)驗(yàn)證明可以實(shí)現(xiàn)該操作）。這樣，在一個(gè)掃描周期后，整個(gè)漢字將左移一列，而顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容也同時(shí)更改。由于預(yù)裝載區(qū)保存了1個(gè)漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，即16×16點(diǎn)陣，所以當(dāng)前顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容只能移動(dòng)16列。當(dāng)下一個(gè)滾動(dòng)到來(lái)時(shí)，滾動(dòng)指針將移動(dòng)到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的下一個(gè)漢字的首地址，并在預(yù)裝載區(qū)存入該漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。然后重復(fù)執(zhí)行上述操作便可實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)顯示。特殊字符或圖形的顯示與此類(lèi)似，這里不再贅述。

打字顯示要求漢字在顯示屏上按從左到右的順序一個(gè)個(gè)的出現(xiàn)，如同打字的效果。設(shè)計(jì)時(shí)可采用如下方法：首先將LED顯示屏對(duì)應(yīng)的顯示緩沖區(qū)全部清零，即LED顯示空白，然后每間隔一個(gè)“軟定時(shí)器”設(shè)定的動(dòng)態(tài)顯示時(shí)間，顯示緩沖區(qū)依次加入一個(gè)漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)并進(jìn)行掃描顯示，這樣就可達(dá)到打字顯示的效果。

3．2PC機(jī)控制程序

a．通訊功能的實(shí)現(xiàn)

在Windows環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)PC與單片機(jī)的通訊可利用Windows的通訊API函數(shù)或者利用VC＋＋（或其它語(yǔ)言）的標(biāo)準(zhǔn)通訊函數(shù)＿inp、＿outp來(lái)實(shí)現(xiàn)。但上述兩種方法比較繁瑣，而采用ActiveX控件MSComm32來(lái)實(shí)現(xiàn)則非常方便。該控件用事件的方式簡(jiǎn)化了對(duì)串口操作的編程，并可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，還可對(duì)串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。其初始化程序如下：

一般情況下，PC要與多個(gè)單片機(jī)89C51系統(tǒng)進(jìn)行主從式通訊，為了區(qū)分各單片機(jī)系統(tǒng)，可以使89C51采用串口工作方式3，即11位異步接收／發(fā)送方式，該方式的有效數(shù)據(jù)為9位，其中第9位為地址／數(shù)據(jù)信息的標(biāo)志位，其作用是使從機(jī)據(jù)此判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否為地址，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)操作。但現(xiàn)在由于采用的是MSCOMM控件來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)之間的通訊，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的10位串口通信方式，即8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)位和該數(shù)據(jù)的起始位、停止位各1位。因此二者格式不相符，故很難利用上述方案。因此可考慮將單片機(jī)串口設(shè)為工作方式1，即改為10位異步接收／發(fā)送方式來(lái)解決，其通訊流程如下：首先發(fā)通信開(kāi)始標(biāo)志，接著發(fā)送需要操作的單片機(jī)系統(tǒng)地址，然后發(fā)送顯示工作命令字，該命令包括2個(gè)字節(jié)，前一字節(jié)用于設(shè)定顯示方式和滾動(dòng)方向，后一字節(jié)則用于設(shè)定顯示速度。再往下是傳送顯示內(nèi)容的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。該通訊規(guī)約非常簡(jiǎn)便，能夠較好的解決上述問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與多單片機(jī)之間的主從式通訊及對(duì)顯示的控制。

需要注意的是，當(dāng)顯示內(nèi)容需要改變時(shí)，為了避免在單片機(jī)串行中斷接收數(shù)據(jù)時(shí)，顯示屏出現(xiàn)亂碼，應(yīng)使顯示屏?xí)翰伙@示（處于“黑屏”狀態(tài)），直到數(shù)據(jù)接收完全，串行中斷處理結(jié)束時(shí)再顯示。

漢字字模的提取非常關(guān)鍵，本文的字模數(shù)據(jù)取自UCDOS下的字庫(kù)文件HZK16。關(guān)于這方面的介紹較多，文獻(xiàn)［2］給出了較為具體的在VC下提取漢字字模的方案，這里不再贅述。對(duì)于特殊字符或圖形點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的提取，簡(jiǎn)便的方法可以先做一個(gè)BMP文件，然后用一些取模軟件（如字模提取v2．1）來(lái)獲得。為了顯示方便，點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的格式應(yīng)為n×（16×8），不足要求的則應(yīng)以0數(shù)據(jù)補(bǔ)充。

b．動(dòng)態(tài)效果模擬顯示。

為了方便調(diào)節(jié)LED的顯示效果，筆者在PC機(jī)的控制界面上設(shè)計(jì)了LED顯示屏的模擬顯示，它同實(shí)際的顯示效果完全一樣。用戶可以設(shè)定顯示的模式，并調(diào)節(jié)顯示速度，然后在界面上對(duì)顯示效果進(jìn)行預(yù)覽，同時(shí)還可以隨時(shí)修改和設(shè)定參數(shù)，因而十分方便簡(jiǎn)捷。

為此，可先在界面上描繪出虛擬的LED顯示屏，由于實(shí)際的顯示屏為160×16點(diǎn)陣，故須在界面上設(shè)定相同的區(qū)域。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示效果的方法和以上幾種基本類(lèi)似，這里以滾動(dòng)顯示為例作一說(shuō)明。對(duì)于需要滾動(dòng)的文字，可以將其設(shè)置為位圖格式，暫存于內(nèi)存中，然后利用VC提供的位圖拷貝函數(shù)BitBlt將位圖復(fù)制到顯示位置。對(duì)于特殊字符或圖形，則可以直接利用BitBlt函數(shù)調(diào)用到顯示位置。然后在類(lèi)CLEDDlg的OnTimer函數(shù)中調(diào)用該函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)文字的滾動(dòng)顯示。另外，也可以通過(guò)設(shè)定不同的響應(yīng)時(shí)間間隔來(lái)改變文字的滾動(dòng)速度。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣顯示屏的動(dòng)態(tài)顯示和控制的解決方案，已成功地應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。如將該系統(tǒng)聯(lián)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏的遠(yuǎn)程控制。