LED顯示屏動(dòng)態(tài)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

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1、摘 要：由于普通LED點(diǎn)陣顯示屏動(dòng)態(tài)顯示通常采用硬件掃描驅(qū)動(dòng)，這在一些需要特殊顯示的場(chǎng)合顯得不夠靈活。文中提出了一種利用PC機(jī)和單片機(jī)的通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示屏靈活的動(dòng)態(tài)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)該方法還可以將顯示內(nèi)容在PC機(jī)上進(jìn)行預(yù)覽。 關(guān)鍵詞：LED；動(dòng)態(tài)顯示；遠(yuǎn)程控制；顯示預(yù)覽 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

2、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

3、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RS232485 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RS232485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)88 LED點(diǎn)

4、陣模塊，可組成16160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P12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P13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

5、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) RS232485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125ms，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)

6、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125ms，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?！败浂〞r(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。31單片

7、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

8、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

9、該操作能在125ms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1616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

10、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。32 PC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

11、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

12、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

13、，然后用一些取模軟件（如字模提取v21）來(lái)獲得。為了顯示方便，點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的格式應(yīng)為n（168），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16016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

14、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。漢字顯示屏廣泛應(yīng)用與汽車(chē)報(bào)站器，廣告屏等。本文介紹一種實(shí)用的漢字顯示屏的制作，考慮到電路元件的易購(gòu)性，沒(méi)有使用8*8的點(diǎn)陣發(fā)光管模塊， 而是直接使用了256個(gè)高量度發(fā)光管，組成了16行16列的發(fā)光點(diǎn)陣。同時(shí)為了降低制作難度， 僅作了一個(gè)字的輪流顯示，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)這個(gè)原理自行擴(kuò)充顯示的字?jǐn)?shù)。 1漢字顯示的原理： 我

15、們以UCDOS中文宋體字庫(kù)為例，每一個(gè)字由16行16列的點(diǎn)陣組成顯示。即國(guó)標(biāo)漢字庫(kù)中的每一個(gè)字均由256點(diǎn)陣來(lái)表示。我們可以把每一個(gè)點(diǎn)理解為一個(gè)像素，而把每一個(gè)字的字形理解為一幅圖像。事實(shí)上這個(gè)漢字屏不僅可以顯示漢字， 也可以顯示在256像素 范圍內(nèi)的任何圖形。用8位的AT89C51單片機(jī)控制， 由于單片機(jī)的總線為8位，一個(gè)字需要拆分為2個(gè)部分。軟件打開(kāi)后輸入漢字，點(diǎn)“檢取”，十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的漢字代碼即可自動(dòng)生成，把我們所需要的豎排數(shù)據(jù)復(fù)制到我們的程序中即可。 我們把行列總線接在單片機(jī)的i0口，然后把上面分析到的掃描代碼送入總線， 就可以得到顯示的漢字了。 在這個(gè)例子里，由于一共用到16行，16

16、列， 如果將其全部接入89c51單片機(jī)， 一共使用32條io口，這樣造成了io資源的耗盡，系統(tǒng)也再無(wú)擴(kuò)充的余地。 實(shí)際應(yīng)用中我們使用4-16線譯碼器74ls154來(lái)完成列方向的顯示。 而行方向16條線則接在p0口和p2口。程序清單：ORG 00HLOOP: MOV A,#0FFH ；開(kāi)機(jī)初始化，清除畫(huà)面MOV P0,A ；清除P0口 ANL P2,#00 ；清除P2口MOV R2,#200D100MS: MOV R3,#250 ；延時(shí)100毫秒 DJNZ R3,$ DJNZ R2,D100MS MOV 20H,#00H ；取碼指針的初值l100: MOV R1,#100 ；每個(gè)字的停留時(shí)間L1

17、6: MOV R6,#16 ；每個(gè)字16個(gè)碼 MOV R4,#00H ；掃描指針清零 MOV R0,20H ；取碼指針存入R0L3: MOV A,R4 ；掃描指針存入A MOV P1,A ；掃描輸出 INC R4 ；掃描指針加1，掃描下一個(gè) MOV A,R0 ； 取碼指針存入A MOV DPTR,#TABLE ；取數(shù)據(jù)表的上半部分的代碼 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A ； 輸出到P0 INC R0 ；取碼指針加1，取下一個(gè)碼。 MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE ；取數(shù)據(jù)表下半部份的代碼 MOVC A,A+DPTR MOV P2,A ；輸出到P2口 INC R0MO

18、V R3,#02 ；掃描1毫秒DELAY2: MOV R5,#248 ； DJNZ R5,$ DJNZ R3,DELAY2 MOV A,#00H ；清除屏幕 MOV P0,A ANL P2,#00H DJNZ R6,L3 ；一個(gè)字16個(gè)碼是否完成？ DJNZ R1,L16 ；每個(gè)字的停留時(shí)間是否到了？ MOV 20H,R0 ；取碼指針存入20H CJNE R0,#0FFH,L100 ；8個(gè)字256個(gè)碼是否完成？ JMP LOOP ；反復(fù)循環(huán)TABLE :；漢字“倚”的代碼db 01H,00H,02H,00H,04H,00H,1FH,0FFHdb 0E2H,00H,22H,00H,22H,0FC

19、H,26H,88Hdb 2AH,88H,0F2H,88H,2AH,0FAH,26H,01Hdb 63H,0FEH,26H,00H,02H,00H,00H,00H；以下分別輸入天，一，出， 寶，刀，屠，龍，的代碼，略。end 電路中行方向由p0口和p2口完成掃描，由于p0口沒(méi)有上拉電阻，因此接一個(gè)4.7k*8的排阻上拉。 如沒(méi)有排阻，也可用8個(gè)普通的4.7k 1/8w電阻。為提供負(fù)載能力，接16個(gè)2n5551的NPN三極管驅(qū)動(dòng)。列方向則由416譯碼器74LS154完成掃描，它由89C51的P1.0-P1.3控制。同樣，驅(qū)動(dòng)部分則是16個(gè)2N5401的三極管完成的。電路的供電為一片LM7805三端

20、穩(wěn)壓器，耗電電流為100Ma左右。 采用一塊12*20cm的萬(wàn)能電路板，應(yīng)當(dāng)選用質(zhì)量好些的發(fā)光管，（否則有壞點(diǎn)現(xiàn)象， 更換起來(lái)較麻煩）首先將256個(gè)發(fā)光管插入電路板，注意插入方向，同時(shí)使高度一致，行方向直接焊接起來(lái)， 列方向則搭橋架空焊接，完成后用萬(wàn)用表測(cè)試一下如有不亮的更換掉。 然后找一個(gè)電腦硬盤(pán)的數(shù)據(jù)線， 截取所需的長(zhǎng)度，分別將行，列線引出至電路的相關(guān)管腳即可。原理圖為了簡(jiǎn)潔，故只畫(huà)出了示意圖，行列方向只畫(huà)出了2個(gè)三極管，屏幕只畫(huà)出4個(gè)發(fā)光管， 實(shí)際上發(fā)光管為256只，三極管行列方向各16只，一共32只。焊接過(guò)程認(rèn)真仔細(xì)一天時(shí)間即可完成全部制作。將程序編譯后燒寫(xiě)入89c51, 插入40pi

21、n Ic座，即可看到屏幕輪流顯示：“倚天一出寶刀屠龍”。 當(dāng)然，你可將程序的漢字代碼部分更換為您所需要的代碼即可顯示你所需要的漢字元件清單：名稱數(shù)量規(guī)格47k 1/8w32電阻4.7k*8排阻1 2n555116小功率NPN三極管2n540116小功率PNP三極管led2563mm白發(fā)紅高亮度22P2瓷片電容10uf/50v1電解電容100uf/25v2電解電容AT89C511或AT89S5140pin Ic座1插89c51用12M1晶體74LS1541或74HC154LM78051穩(wěn)壓IC電源插座1 穩(wěn)壓電源1LED顯示屏用電源的設(shè)計(jì)林建偉，李震西安普聲電信有限責(zé)任公司，陜西西安710043

22、1引言LED顯示屏是一種迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,已被廣泛應(yīng)用于車(chē)站、賓館、銀行、醫(yī)院等公共場(chǎng)合。顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來(lái)給顯示屏發(fā)光二極管提供必要的工作電流，保證屏體正常顯示。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，通常采用由一小功率電源帶3到4個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)板的供電方案。這樣,一個(gè)較大面積的顯示屏需要配接許多電源模塊，例如一個(gè)2m1.5m的屏體，就需要提供24個(gè)5V/20A的模塊電源。該設(shè)計(jì)存在以下的缺點(diǎn)。1）接線復(fù)雜每一個(gè)電源均需單獨(dú)地配置交流輸入線、直流輸出線。2）電源冗余度差在大多數(shù)情況下，屏體顯示內(nèi)容為文字、動(dòng)畫(huà)、圖片，每個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)板消耗的電流不一樣，可能某些電源模塊過(guò)載

23、，而另一些模塊空載。此外，若某一電源失效，會(huì)造成屏體的一部分黑屏。3）電源過(guò)載能力差，利用率低屏體在工作時(shí)消耗的電流隨畫(huà)面的內(nèi)容、顏色、亮度而變化，大部分時(shí)間電流較小，而大面積高亮度的畫(huà)面雖消耗電流大，但持續(xù)時(shí)間短?？紤]到LED是恒流驅(qū)動(dòng)的，只要驅(qū)動(dòng)板可正常工作，供電電壓可以降低一些。電源最好有下拖形狀的限流特性，而不是通常的較陡峭形狀的限流特性，以保證有較好的過(guò)載能力、較高的利用率?？紤]到以上各點(diǎn)，提出新的供電方案如下：1）集中供電，采用n1冗余方案。2）電源模塊設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)妮敵鲭娏?，模塊可均流。保證屏體裝配工藝易實(shí)現(xiàn)n1冗余。3）電源模塊有下拖形狀的限流特性以保證有較好的過(guò)載能力、較高的利用

24、率。4）電源模塊有扁平的外形，自然散熱，易于在屏體上安裝，并利用屏體散熱。5）電源模塊帶APFC，減小對(duì)電網(wǎng)的干擾，適應(yīng)電網(wǎng)的波動(dòng)。2電路設(shè)計(jì)采用集中供電方案可避免分散供電的缺點(diǎn)，但要求電源的可靠性更高，否則電源一旦失效會(huì)造成整屏的黑屏，而不是部分黑屏。提高電源可靠性的最積極的辦法為提高變換效率，減少發(fā)熱量，同時(shí)選用可靠性高的線路與器件。21AC/DC電路設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的AC/DC全波整流電路采用的是整流電容濾波電路。這種電路是一種非線性器件和儲(chǔ)能元件的組合，輸入交流電壓的波形是正弦的，但輸入電流的波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，呈脈沖狀。由此產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)有危害作用，使電源輸入功率因素下降。在本設(shè)計(jì)中

25、整流電路部分采用有源功率因數(shù)校正電路(APFC),避免了上述缺點(diǎn)。其電路如圖1所示。與典型PFC主電路不同的是此電路選用了無(wú)損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)降低了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗,提高了其穩(wěn)定性,增強(qiáng)了其使用壽命。它利用一組無(wú)源元件,使開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，提高了電源的工作效率,且相對(duì)于其它諧振軟開(kāi)關(guān)電路，降低了生產(chǎn)成本。下面通過(guò)分析PFC主開(kāi)關(guān)Q的工作過(guò)程來(lái)說(shuō)明此無(wú)損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)的工作原理。1）Q導(dǎo)通時(shí)，因?yàn)殡姼?L2中電流不能突變，且C2、C1電壓不能突變，Q中的的電流從零開(kāi)始增加,緩慢上升。通過(guò) D4的電流iD4漸減。Q實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通，導(dǎo)通的損耗較小。2）當(dāng)電流iD4減少為零時(shí)，D4

26、進(jìn)入反向恢復(fù)狀態(tài)，通過(guò)電感 L2的電流iL2=iL1irD4。D4反向電流irD4的變化率受到電感 L2的控制，反向恢復(fù)損耗降低。3）主電感L2中電流緩慢增加，Q上的電壓 uQ下降。電容C2通過(guò)D2、C1、L2、Q放電 ,C2上的電壓uC2下降。4）當(dāng)uC2下降為零時(shí),C2中的能量完全轉(zhuǎn)向 C1、L2。L2中的電流飽和不變，uQ下降變?yōu)榱?，Q完成零電流開(kāi)通過(guò)程。5）Q保持開(kāi)通狀態(tài),與普通PFC電路的開(kāi)關(guān)管狀態(tài)相同。6）Q關(guān)斷時(shí)，L2中的電流 iL2通過(guò)D1流向C2，C2從零開(kāi)始充電，Q實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，關(guān)斷損耗較小。二極管 D2、D3使uC2最終鉗位在輸出電壓VL。7）L2在導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的能量通過(guò)

27、 D1、D2流向C1，L2逐漸復(fù)位。當(dāng) L2復(fù)位后，C1中的能量通過(guò)D3輸出。8）當(dāng)C1兩端電壓變?yōu)榱銜r(shí)， D4正向?qū)?。Q完成零電壓關(guān)斷過(guò)程。9）Q保持關(guān)斷狀態(tài)直到開(kāi)始進(jìn)入新的開(kāi)關(guān)循環(huán)過(guò)程。Q的開(kāi)關(guān)波形如圖2所示;Q的實(shí)測(cè)導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間如圖3所示。（電源負(fù)載22A） 從以上分析可知此無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。1）Q的最大工作電壓等于輸出電壓 VL。2）PFC電路的輸出二極管D4的耐壓是 VL與電感L2的反向電壓之和。3）Q中的電流上升率，即Q的開(kāi)通損耗決定于電感 L2兩端電壓和L2的電感量。4）Q兩端的電壓上升率，即Q的關(guān)斷損耗決定于流過(guò)電容 C2的電流和C2的容量。5）由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作

28、引起的存儲(chǔ)在 L2和C2中的能量最終都輸出給了負(fù)載，保證了轉(zhuǎn)換器的工作效率。22DC/DC主電路設(shè)計(jì)DC/DC主電路采用單端雙正激電路。單端雙正激電路相對(duì)于其它拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)管承受電壓低，在控制電路設(shè)計(jì)中不必?fù)?dān)心共態(tài)導(dǎo)通問(wèn)題，也不會(huì)因電路不對(duì)稱發(fā)生高頻變壓器單向偏磁，即不存在變壓器飽和問(wèn)題，是一種可靠性較高的電路?？紤]到整機(jī)的高度不超過(guò)60mm，以及變壓器工藝、安裝、散熱的要求，DC/DC變換采用雙變壓器、雙輸出電感結(jié)構(gòu)。變壓器原邊并聯(lián)，副邊各自用一個(gè)輸出電感，如圖4所示。該電路的無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)不同于AC/DC部分電路所采用的無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)。它僅使開(kāi)關(guān)管完成了零電壓關(guān)斷過(guò)程。以下以開(kāi)關(guān) Q2為

29、例（Q1與Q2變化狀態(tài)相同），簡(jiǎn)述該網(wǎng)絡(luò)的工作原理。 1）導(dǎo)通過(guò)程Q1、Q2開(kāi)通時(shí)，除一路電流通過(guò) Q1、T1副邊、Q2外，另一路電流流過(guò) Q1、C5L7、D10、C7、 Q2形成LC振蕩回路，C5、C7被充電。當(dāng)A與B點(diǎn)之間的電壓uAB等于主電路電壓VDC時(shí)，由于 D10的單向?qū)щ娦?，振蕩結(jié)束。電感L7起限制 C7、C5中的電流變化的作用。Q1、 Q2中流過(guò)的電流為從副邊折算到原邊的負(fù)載電流與C5、C7充電電流之和。2）關(guān)斷過(guò)程Q1、Q2關(guān)斷時(shí)，由于B點(diǎn)對(duì)地電壓為零，C7從零開(kāi)始充電， Q2對(duì)地電壓uQ2緩慢上升，Q2零電壓關(guān)斷。加在 Q2上的電壓因二極管D15的鉗位作用，最終為VDC。因此

30、，B點(diǎn)電壓升為VDC。 Q2實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷過(guò)程。由于變壓器勵(lì)磁電感、漏感及引線寄生電感所引起的感應(yīng)電勢(shì)的能量通過(guò) C7、D14返回電源，Q2上的電壓維持在VDC直到變壓器原邊磁通復(fù)位。此時(shí)， Q1、Q2上的電壓分別為VDC/2直到新的工作周期。Q2的開(kāi)通期間與關(guān)斷期間的狀態(tài)與普通開(kāi)關(guān)管同期間的狀態(tài)相同。圖5為實(shí)測(cè)Q2開(kāi)關(guān)波形。圖6為實(shí)測(cè) Q2零電壓關(guān)斷波形。從以上分析中,可以總結(jié)出以下特點(diǎn)。1）電路中每個(gè)開(kāi)關(guān)管的最大工作電壓等于電源電壓。2）Q1、Q2關(guān)斷的電壓上升率分別決定于電容 C5、C7的容量。23控制電路設(shè)計(jì)為保證電源安全可靠地工作，電路設(shè)計(jì)中采用TOP224Y制作一反激式開(kāi)關(guān)電源作為

31、輔助源，如圖7所示。其兩路輸出分別為AC/DC部分和DC/DC部分的控制電路供電。 AC/DC控制部分使用PFC控制芯片UC3854B。交流輸入過(guò)、欠壓、PFC變換直流電壓（400V）過(guò)、欠壓時(shí)都關(guān)閉UC3854，使PFC部分停止工作。這些故障信號(hào)通過(guò)隔離光耦傳遞到DC/DC控制電路，以達(dá)到在AC/DC部分工作不正常時(shí)保護(hù)主開(kāi)關(guān)管的目的。DC/DC控制部分使用了PWM控制芯片UC3846，采用峰值電流型控制模式。峰值電流型控制模式相對(duì)于電壓控制模式，負(fù)載響應(yīng)速率快，具有逐脈沖限流特性，容易獲得下拖形狀的限流特性，非常適合在此應(yīng)用。n1冗余應(yīng)用時(shí)，多模塊必須有均流功能。該電源輸出電流較大，直接從

32、DC輸出用分流器取電流信號(hào)功率損耗較大，同時(shí)裝配工藝較復(fù)雜。因此，本設(shè)計(jì)采取了原邊電流合成的方法。用電流傳感器取出開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器原邊的電流信號(hào)。該信號(hào)包含了變壓器的勵(lì)磁電流信號(hào)與輸出電感電流折算到變壓器原邊的電流信號(hào)。因輸出電感折算到原邊的電流遠(yuǎn)大于變壓器的勵(lì)磁電流，所以可認(rèn)為電流傳感器取出的即為輸出電感的充磁電流。這是輸出電感電流的上升部分，只要模擬出輸出電感續(xù)流時(shí)的下降部分，合成后即可得到輸出電感的電流信號(hào)，也為輸出電流信號(hào)。取出該合成后的電流信號(hào)后就可用于電流保護(hù)的控制與均流控制上了。如圖8所示，把電流傳感器取出的電流信號(hào)經(jīng)高速單向緩沖后向一電容充電。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)關(guān)閉恒流源，而開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)打開(kāi)恒流源對(duì)電容恒流放電。在選擇合適的電路參數(shù)后，電容上的電壓波形就與輸出電感上的電流成比例，放大后就可得到輸出電感電流，也即輸出電流。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)樣機(jī)的測(cè)試指標(biāo)如下 輸入電壓范圍AC150270V輸出電壓范圍DC4.66.3V輸出電流120A效率80散熱方式自然散熱限流特性下拖厚度60mm，可安裝在LED顯示屏體上用兩臺(tái)樣機(jī)試驗(yàn)均流如下：A機(jī)5.6VB機(jī)5.3V不接均流線B機(jī)不工作A機(jī)5.6VB機(jī)5.3V接均流線A機(jī)輸出34A，B機(jī)輸出33A。4結(jié)語(yǔ)隨著這種電源應(yīng)用量的不斷增加，證明出其具有較高的工作效率和良好的可靠性，是一種性價(jià)比較高的產(chǎn)品。