发光二极管显示器件的接口技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章发光二极管显示器件的接口技术,重点难点动态扫描,发光二极管LED,尽管LCD(液晶)显示器的应用已越来越多，但目前的中低端测控系统中，LED(发光二极管)仍占有主要地位。,主要原因有以下几个：,1)LED接口简单；2)LED自发光且亮度高，即便在室外仍具有很好的可见度；3)容易做大，十几平方米的大LED屏已很普遍；4)成本低、寿命长。,电气特性,驱动电流一般为,320,mA,导通时管压降一般,2V,左右,显示驱动方式,静态显示：用于信息少,动态显示：用于信息多,2.1 静态显示,常采用的,驱动器件,7406、7407,专用驱动电路如ULN2003/2008,74HC373等,有些单片机可直接驱动（拉电流，灌电流）,注：高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流,2.1 静态显示,1）发光二极管类型：,超高亮: 1.7V1.9V, 设计电流通常选为15mA,高亮: 1.6V1.8V，设计电流通常选为12mA,普亮：1.4V1.7V，设计电流通常选为8mA,设计电流的选择应根据,应用环境及对亮度的要求,来定,常采用的驱动电路,7406、7407,专用驱动电路如ULN2003/2008,74HC373、244、245,74LS244/245等,有些单片机可直接驱动,2）发光二极管的特性,由于LED的电流特性为近似的恒压器件，导通电流I在其,导通阀值,附近快速增大，所以,必须加限流电阻,控制电流值,。,I,V,Vt,近似的恒压特性，使用时需串接限流电阻,注意：,大多数单管LED不应在超过,50mA,的情况下长时间工作,3）限流电阻的计算,V,CC,7406,R,例1：某超高亮LED,5V工作，工作电流为8mA，导通压降为1.7V,电路如下图,驱动器件的低电平输出电压,工作电流,器件选用,高电平输出驱动与低电平输出驱动，器件选用和计算方法有所不同,74LS04,:高电平输出时，可以流出最大0.4mA的电流，而低电平输出时，可以注入最大,8mA,的电流,74LS594,的高电平输出时，可以流出最大2.6mA的电流，而低电平输出时，可以注入最大,24mA,的电流,74LS244,:高电平输出时，可以流出最大15mA的电流，而低电平输出时，可以注入最大,24mA,的电流,器件选用,对需要更大输出电流、更高输出电压时，还可选择高压输出的OC门驱动器,7406/7407,。,7406/7407,器件低电平时的注入电流可达,40mA,，高电平输出时，可耐压,30V,。,专用驱动器,ULN2003,/ ULN2803/ULN2023/ULN2823,更适合LED的大电流驱动，导通时可注入,500mA,的极限电流，可在,300mA,电流下长期工作，高电平输出耐压可达,50V,(ULN2003/ULN2803)或95V(ULN2023/ULN2823)。,高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流,。,所以，一般情况下,应使用低电平驱动方式,例2：某室外LED数码显示块，每段由100个LED组成，超高亮LED，工作电流为15mA，导通压降为1.4V,选用,ULN2003,驱动,ULN2003工作电压不超过50伏,选用1/2W的阻值为1K ,35=25*1.4,+50V,2003,VD,1,VD,25,ULN2003,+48V,4） 驱动器的选择,要考虑到2个参数,（1,）驱动电流大于等于LED的工作电流,7406、7407注入电流为40mA,ULN2003注入电流为300mA,（2,）耐压值大于等于驱动电压,7406、7407耐压值为30V,ULN2003耐压值为50V,5） LED数码管,a,b,c,d,e,f,g,dp,共阴极LED,共阳极LED,需注意的问题：,（1）小数点的驱动导通压降较低和工作电流较小,（2）共阴极LED限流电阻的计算阳极驱动电压,专用的驱动器，高电平输出一般在4.5V左右,大多数TTL器件，高电平输出一般在3.5V或更低,清零,D,1,移位脉冲,2,3,4,1,Q,Q,3,Q,1,Q,2,R,D,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,1,1,Q,J,K,F0,Q,0,Q,J,K,F2,Q,J,K,F1,Q,J,K,F3,Q,Q,Q,J,0,=1,K,0,=0 J,1,=0 K,1,=1,J,2,=0 K,2,=1 J,3,=0 K,3,=1,J,0,=0,K,0,=1 J,1,=1 K,1,=0,J,2,=0 K,2,=1 J,3,=0 K,3,=1,J,0,=1,K,0,=0 J,1,=0 K,1,=1,J,2,=1 K,2,=0 J,3,=0 K,3,=1,J,0,=1,K,0,=0 J,1,=1 K,1,=0,J,2,=0 K,2,=1 J,3,=1 K,3,=0,1,0,1,1,左移寄存器,6）,使用串行芯片的静态显示使用静态方式，通常使用移位寄存器扩展显示位数。常用的,移位寄存器,有74HC164/165，74HC594等。多片移位寄存器可串联使用。带输出寄存器的8位移位寄存器74HC594更适合LED静态显示，由于移位和存储寄存器都提供了分离的时钟，即便级联了很多片74HC594，显示过程也不会出现闪烁现象,图2.5 74HC594的级联使用及LED显示驱动,2.2 LED的动态刷新显示本章,重点难点,LED显示方式,1）静态显示,同时点亮，硬件较多，软件设计简单;,静态的LED显示将耗用大量的I/O端口和驱动、限流电路。如要显示10个24点阵汉字的单色显示屏，将需要720个8位I/O口,2）动态显示,轮流点亮，节省硬件，软件相对复杂,数码管较多，或为点阵显示屏时，常采用,矩阵扫描,方式,注意两种方法的应用场合,视觉暂留,人眼的视觉暂留特点，当显示刷新的频率高于某一值时，人眼将觉察不到闪烁。对LED显示刷新而言，刷新频率不能低于,50次,/秒。高于,60次,/秒将使视觉更舒服。,1、动态显示的注意事项,（1）动态扫描频率不能低于,50HZ,(2)要保证通过LED的,瞬时电流,不超过其峰值电流;,显示亮度由流过一个发光二极管的,平均电流,决定,建议：软件扫描行数不能超过16行，硬件扫描可提高到32行,（2）扫描的行数：要保证通过LED的,瞬时电流,不超过其峰值电流,行扫描线以高电平驱动，列扫描线以低电平驱动，通常以逐行扫描方式工作(以共阳显示块为例)，即一次扫描一行。当一行高电平选中时，对应位置的发光二极管是否点亮由列扫描线是否处于低电平决定。适当,延时,后，切换到下一行显示，显示亮度由流过一个发光二极管的,平均电流,决定。,动态扫描,注意：,为了达到足够的,平均电流,，必须给发光二极管提供足够的瞬时电流,若扫描行数为16行，LED 段,平均电流,为8mA，（,以十六行扫描作为一个扫描周期为例,）,则段,瞬时电流,应为8*16=128mA,但由于对大多数单个LED而言，,大于200mA,的峰值电流，可能对器件造成永久损伤，特别是当扫描电路工作异常而引起停扫时，,50mA,以上的电流即可能引起LED的永久损坏。,通常硬件扫描引起停扫的可能性比软件扫描小得多，所以建议使用硬件扫描。,2、16路动态显示驱动电路举例,RXD,TXD,P1.0,QA,QH,QH,/,SCLK,SRCLK,SER,QA,QH,QH,/,SCLK,SRCLK,SER,74HC594,驱动,与,限流,LED阵列,或,数码块,A,B,C,D,/Y0,/Y15,220,330,V,CC,行驱动,或,位驱动,ULN2003,图2.10动态LED显示驱动电路(共阳极）,（1）限流电阻的计算：,设段平均电流为8mA，16路，VCC=5V,VT1(锗材料)导通压降为0.3V，ULN2003导通压降为0.3V，高亮LED 导通管压降为1.6V,（2）行驱动电流的计算：,设16路，段平均电流为4mA,，80列超高亮LED点阵，则全亮时三级管应提供的行驱动电流为,根据行驱动电流选择三极管,ULN2003可直接与单片机并行口直接相连,驱动少量数码管时，可直接使用单片机,并行I/O,端口连接驱动和限流部分,大多数LED专用驱动芯片，都是用于共阴极数码管,SE-A,SE-B,SE-C,SE-D,SE-E,SE-F,SE-G,ULN2003,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,A,B,C,D,/LT,/BI,LE,V,CC,4511,IN1,IN2,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,OUT1,OUT2,OUT3,OUT4,OUT5,OUT6,OUT7,COM,图2.11译码输出动态LED显示驱动电路,3、单色、双色、三色显示,红绿双色LED为多，红绿双色同时点亮或交替点亮时，便显示橙色，所以实际为三色显示,2脚三色,3脚三色,（1）共阴双色驱动电路,RXD,TXD,P1.0,QA,QH,QH,/,SCLK,SRCLK,SER,QA,QH,QH,/,SCLK,SRCLK,SER,74HC594,驱动,与,限流,A,B,C,D,/Y0,/Y15,220,330,V,CC,ULN2003,220,330,用2个不同的行驱动,图2.12,共阴极双色,动态LED显示驱动电路,（2）共阳双色驱动电路,RXD,TXD,P1.0,QA,QH,QH,/,SCLK,SRCLK,SER,QA,QH,QH,/,SCLK,SRCLK,SER,74HC594,驱动,与,限流,A,B,C,D,/Y0,/Y15,220,330,V,CC,ULN2003,驱动,与,限流,看做2个不同的列,图2.12,共阳极双,色动态LED显示驱动电路,2.3动态显示刷新的专用模块,动态刷新的方法,软件刷新占用CPU时间，可靠性差,硬件刷新8279，MAX7219/7221等,8279并行接口，需外接显示驱动电路,（见P37 图2.14）,MAX7219 串行接口，具有刷新、驱动功能， 可直接驱动8个共,阴极LED数码管，可级联使用,MAX7221 上升沿锁存、高位在前、16位,SPI接口,8279，MAX7219/7221,图2.15 MAX7219/7221引脚图,图2.14 82C79接口信号,1）MAX7219/7221与LED的接口电路（串行）,亮度调节方法,（1）硬件调节（2）软件调节,图2.16 MAX7219与8位LED接口,级联方式：DOUT(1)DIN(2),多级串联使用时，要使每个芯片所接LED数保持均衡,图2.17 MAX7219驱动16个LED显示接口,2）MAX7219/7221的再驱动,7219/7221最大段驱动电流为40mA, 每个数码管的段平均电流为5mA。当亮度要求较高时，可增加驱动电路,DIG0,DG0,220,330,V,CC,来自7219,SE-A,SE-B,SE-C,SE-D,SE-E,SE-F,SE-G,ULN2803,SEB,SEC,SED,SEE,SEF,SEG,SEA,12,IN1,IN2,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,OUT1,OUT2,OUT3,OUT4,OUT5,OUT6,OUT7,共阳极LED,图2.18 MAX7219在驱动,接7219,LED导通压降为3.4V,2.4大尺寸显示器的接口,大尺寸LED的特点,工作电流大、驱动电压大;,大尺寸LED七段显示块，与小LED七段显示块相比，除驱动电流大小不同外，驱动电压也往往要大得多。当LED的正向导通压降大于,3.6V,时，常规的驱动电路将不能正常点亮5V供电的LED。,导通电压大于3.6V 时，常采用OC门加高压驱动,（1）驱动电压低于12V时，取LED导通压降加2V3V,（2）LED导通压降较高时，驱动电压应高于导通压降的,1520加2V, 如,3.6V+ 3.6V*,20+ 2V,若LED尺寸较大，驱动电压高于VCC时，为驱动前应加OC门如7407,MAX7219/7221的,再驱动,V,DD,(+12V),DIG0,DG0,220,330,7407,来自7219,见P40 图2.20,P41 图2.21,高压输出驱动电路,图2.20 用MAX7219驱动大导通压降的LED电路,OC门位驱动,2.5动态显示驱动管的散热问题,驱动管在线路板上应均与分布,大量的驱动块不能集中在一起,通风良好,驱动电压不能太大,注意安装,2.6 实例对线器的设计,问题长线连接信号，对线困难,1.设计思路,一端发顺序号脉冲的驱动另一端的发光二极管,图2.22 对线器的使用原理,2.原理图,图2.23 24路对线器原理图,图2.23 24路对线器原理图,3.软件设计,图2.24 各通道信号时序,程序使用三个数组P04、P14、P24分别初始化为0xff，0x7f，0x77，0x99，0xaa，0x7f，0x80，0x77，0x99，0xaa，0，0x7f，0x77，0x99，0xaa,，,注意：77修改为87,2.7 实例：2.3英寸LED显示器驱动电路设计,LED七段显示器在仪器上大量使用，小型仪器通常配小LED显示器，大型仪器则常配大尺寸LED显示器,图2.26 LED引脚与性能测试原理,2.3英寸LED显示器驱动电路设计,难点,器件特性:,电路实测,应该是首选方案，因为这时可以模拟仪器的实际使用环境，选择最为理想的亮度来设计仪器,测试开始时，请务必将,电阻阻值调到最大,，以免烧坏LED。当测试,1.5英寸以上LED,时，电源电压宜选择,12V或更高,。,注意,：,小数点的导通压降,及工作电流通常与其它段不同，应特别注意,2.3英寸LED显示器驱动电路设计,测得,2.3英寸LED显示器(LG23011BH)的显示段导通压降为7.1V(基本可用亮度，电流12mA)或7.3V(较高亮度，电流25mA)，40mA以上电流时，亮度增加不明显，小数点的导通压降为3.4V，亮度合适时的段电流为1520mA。,驱动电压低于12V时，,取LED导通压降加2V3V,此处选择10V供电较节能，实际使用12V供电，以便与其它开关量部件共用一组电源。,按8位显示，,平均段电流,30mA设计，,瞬时电流为308,选择驱动器。ULN2003/ ULN2803/更适合LED的大电流驱动，导通时可注入500mA的极限电流，可在,300mA,电流下长期工作，高电平输出耐压可达,50V,2.驱动电源选择与电路设计,图2.27 2.3英寸LED显示驱动电路,12V,2.3英寸LED显示器驱动电路设计,按,8位显示,，平均段电流30mA设计，限流电阻R1R7的阻值为,可取18。式中，供电12V，二极管导通压降7.3V，ULN2003低电平导通时输出约0.3V，B546导通压降按0.3V计算，段平均显示电流30mA，8位循环显示。,2.3英寸LED显示器驱动电路设计,如果要显示小数点，可将U2改为ULN2803，小数点的限流电阻应为(按20mA电流设计),使用51电阻即可。,行驱动电流计算：瞬时电流列数，3088mA;根据电流选取三极管,