LED顯示屏動態顯示和遠程監控的實現

1、引言
 

       LED 點陣電子顯示屏是集微電子技術、計算機技術、信息處理技術于一體的大型顯示屏系統。它以其色彩鮮艷，動態范圍廣，亮度高，壽命長，工作穩定可靠等優點而成為眾多顯示媒體以及戶外作業顯示的理想選擇。同時也可廣泛應用到軍事、車站、賓館、體育、新聞、金融、證券、廣告以及交通運輸等許多行業。

       目前大多數的LED點陣顯示系統自帶字庫。其顯示和動態效果（主要是顯示內容的滾動）的實現主要依靠硬件掃描驅動，該方法雖然比較方便，但顯示只能按照預先的設計進行。而實際上經常會遇到一些特殊要求的動態顯示，比如電梯運行中指示箭頭的上下移動、某些智能儀表幅值的條形顯示、廣告中廠家的商標顯示等。這時一般的顯示系統就很難達到要求。

       另外，由于受到存儲器本身的局限，其特殊字符或圖案也往往難以顯示，同時顯示內容也不能隨意更改。本文提出一種利用PC機和單片機控制的LED顯示系統通訊方法。該方法可以對顯示內容（包括漢字和特殊圖符）進行實時控制，從而實現諸如閃動、滾動、打字等多種動態顯示效果。該方法同時還可以調節動態顯示的速度，同時用戶也可以在PC機上進行顯示效果的預覽，顯示內容亦可以即時修改。另外，通過標準的RS232／485 轉換模塊還可以實現對顯示系統的遠程控制。
 

2、系統硬件設計
 

       本系統主要的硬件設計是下位機單片機的顯示 控制部分。而上位機（PC機）與單片機顯示控制部分的接口為標準RS232通訊方式。若需實現遠程監控，只需增加RS232／485轉換模塊即可，該部分已有成熟的電路設計，故不再詳細敘述。

       具體的LED顯示屏控制電路如圖1所示。整個電路由單片機89C52、點陣數據存儲器6264、列驅動電路ULN2803、行驅動電路TIP122、移位寄存器4094及附屬電路組成。該電路所設計的電子屏可顯示10個漢字，需要40個8×8 LED點陣模塊，可組成16×160的矩形點陣。由于AT89C52僅有8k存儲空間，而顯示的內容由PC機控制，因此不可能預先把需要顯示的內容做成點陣存在單片機中，而只能由PC機即時地把所需顯示的點陣數據傳給單片機并存入緩沖區6264。

       該電路的顯示采用逐行掃描方式。工作時，由單片機從緩沖區取出第一行需要顯示的20字節點陣數據，再由列點陣數據輸入端P1．2口按位依次串行輸入至列移位寄存器，其數據輸入的順序與顯示內容的順序相反。然后置行點陣選通端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據同時并行輸出以選通該行。經延時一段時間后再進行下一行點陣數據的顯示。需要注意的是，每次只能選通一行數據，即要通過不斷的逐行掃描來實現漢字或字符的顯示。
 

3、顯示與控制的設計
 

       在筆者設計的PC機控制多單片機顯示系統中，用PC機實現的主要功能包括單片機顯示子系統的選擇，顯示方式選擇（包括靜態、閃動、滾動、打字等），滾動方向選擇（包括上下滾動和左右滾動），動態顯示速度調節（即文字閃動頻率、滾動速度、打字顯示速度等），顯示內容輸入及顯示預覽等。單片機一般通過 RS232／485串行接收PC機發出的顯示指采用定時器中斷方式進行行掃描，每次中斷顯示一行，定時中斷時間為1．25ms，這樣整屏的刷新率為 50Hz，因而無閃爍感。

       實現動態顯示速度調節的方法通常是改變定時器的中斷時間，但是當顯示速度很慢的時候，該方法容易使整屏的刷新率降低，從而使顯示內容出現閃爍。因此，本設計采用一種“軟定時”方法，即在程序中命名一變量作為“軟定時器”，以用來設定兩次動態顯示的時間間隔。在對定時中斷調用計數時，如果調用次數達到設定值，則改變顯示內容。為保證能夠正常顯示，“軟定時器”的設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，可將軟定時器的設定值定在大于30ms。如此循環計數，即可實現動態顯示。“軟定時器”的設定值可以通過上位機PC機來改變，這樣既可實現 LED動態顯示的速度調節，又可保持顯示內容的流暢和無閃爍感。
 

3．1單片機動態顯示控制
 

　　以上提到的靜態、閃動、滾動和打字等4種顯示方式，實際上是單片機定時中斷程序進行行掃描處理的不同方法。下面將分別說明如何實現這4種顯示方式。

　　靜態顯示只需在定時中斷處理程序中從顯示緩沖區調入相應的一行顯示數據，然后選中該行即可實現該行的顯示，如此循環，便可顯示整個內容。閃動顯示與此類似，不同的是要間隔一個“軟定時器”的定時時間，在行掃描時，行移位寄存器的D端打入的全為0，可使得整屏不顯示，以確保黑屏時間與顯示時間相等，從而實現漢字或圖符的閃動顯示。 　　

    滾動顯示要求需要顯示的內容每隔一定時間向指定方向（這里以從右向左為例）移動一列，這樣顯示屏可以顯示更多的內容。為此，需要在下次移動顯示之前對顯示緩沖區的內容進行更改，從而完成相應點陣數據的移位操作。具體操作方法是： 　　


       設置一個顯示緩沖區（如圖2所示），該區應包括兩部分：一部分用來保存當前LED顯示屏上顯示的10個漢字點陣數據；另一部分為點陣數據預裝載區，用來保存即將進入LED顯示屏的1個漢字的點陣數據。滾動指針始終指向顯示屏的最右邊原點。當滾動指針移動到需要顯示的點陣數據存儲區的第1個漢字的首地址時，顯示緩沖區LED顯示區為空白，而預裝載區已保存了第1個待顯示漢字的點陣數據。當需要滾動顯示時，則可在接下來的掃描周期的每個行掃描中斷處理程序中，將對顯示緩沖區的相應行點陣數據左移一位，同時更改顯示緩沖區的內容。（需要注意的是，要確保該操作能在1．25ms的中斷時間內完成。這里89C52采用22MHz晶振，實驗證明可以實現該操作）。這樣，在一個掃描周期后，整個漢字將左移一列，而顯示緩沖區的內容也同時更改。由于預裝載區保存了1個漢字點陣數據，即16×16點陣，所以當前顯示緩沖區的內容只能移動16列。當下一個滾動到來時，滾動指針將移動到點陣數據存儲區的下一個漢字的首地址，并在預裝載區存入該漢字的點陣數據。然后重復執行上述操作便可實現滾動顯示。特殊字符或圖形的顯示與此類似，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個的出現，如同打字的效果。設計時可采用如下方法：首先將LED顯示屏對應的顯示緩沖區全部清零，即 LED顯示空白，然后每間隔一個“軟定時器”設定的動態顯示時間，顯示緩沖區依次加入一個漢字點陣數據并進行掃描顯示，這樣就可達到打字顯示的效果。
 

3．2 PC機控制程序

       a．通訊功能的實現
       在Windows環境下，實現PC與單片機的通訊可利用Windows的通訊API函數或者利用VC＋＋（或其它語言）的標準通訊函數＿inp、＿outp來實現。但上述兩種方法比較繁瑣，而采用ActiveX控件MSComm32來實現則非常方便。該控件用事件的方式簡化了對串口操作的編程，并可設置串行通信的數據發送和接收，還可對串口狀態及串口通信的信息格式和協議進行設置。其初始化程序如下：

       一般情況下，PC要與多個單片機89C51系統進行主從式通訊，為了區分各單片機系統，可以使89C51采用串口工作方式3，即11位異步接收／發送方式，該方式的有效數據為9位，其中第9位為地址／數據信息的標志位，其作用是使從機據此判斷發送的數據是否為地址，從而實現多機操作。但現在由于采用的是MSCOMM控件來實現PC機和單片機之間的通訊，這是一種標準的10位串口通信方式，即8位標準數據位和該數據的起始位、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串口設為工作方式1，即改為10位異步接收／發送方式來解決，其通訊流程如下：

       首先發通信開始標志，接著發送需要操作的單片機系統地址，然后發送顯示工作命令字，該命令包括2個字節，前一字節用于設定顯示方式和滾動方向，后一字節則用于設定顯示速度。再往下是傳送顯示內容的點陣數據，最后對數據進行校驗。該通訊規約非常簡便，能夠較好的解決上述問題，從而實現PC機與多單片機之間的主從式通訊及對顯示的控制。

       需要注意的是，當顯示內容需要改變時，為了避免在單片機串行中斷接收數據時，顯示屏出現亂碼，應使顯示屏暫不顯示（處于“黑屏”狀態），直到數據接收完全，串行中斷處理結束時再顯示。

       漢字字模的提取非常關鍵，本文的字模數據取自UCDOS下的字庫文件HZK16。關于這方面的介紹較多，文獻［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。對于特殊字符或圖形點陣數據的提取，簡便的方法可以先做一個BMP文件，然后用一些取模軟件（如字模提取v2．1）來獲得。為了顯示方便，點陣數據的格式應為n×（16×8），不足要求的則應以0數據補充。 b．動態效果模擬顯示。

       為了方便調節LED的顯示效果，筆者在PC機的控制界面上設計了LED顯示屏的模擬顯示，它同實際的顯示效果完全一樣。用戶可以設定顯示的模式，并調節顯示速度，然后在界面上對顯示效果進行預覽，同時還可以隨時修改和設定參數，因而十分方便簡捷。

       為此，可先在界面上描繪出虛擬的LED顯示屏，由于實際的顯示屏為160×16點陣，故須在界面 上設定相同的區域。

       實現動態顯示效果的方法和以上幾種基本類似，這里以滾動顯示為例作一說明。對于需要滾動的文字，可以將其設置為位圖格式，暫存于內存中，然后利用VC 提供的位圖拷貝函數BitBlt將位圖復制到顯示位置。對于特殊字符或圖形，則可以直接利用BitBlt函數調用到顯示位置。然后在類CLEDDlg的 OnTimer函數中調用該函數，以實現文字的滾動顯示。另外，也可以通過設定不同的響應時間間隔來改變文字的滾動速度。

4、結束語
       本文提出的實現LED點陣顯示屏的動態顯示和控制的解決方案，已成功地應用于實際系統。如將該系統聯入計算機網絡，還可實現對顯示屏的遠程控制。