發(fā)光二極管顯示器件的接口技術(shù).ppt

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第二章 發(fā)光二極管顯示器件的接口技術(shù) 重點(diǎn)難點(diǎn)動態(tài)掃描,發(fā)光二極管LED,盡管LCD(液晶)顯示器的應(yīng)用已越來越多，但目前的中低端測控系統(tǒng)中，LED(發(fā)光二極管)仍占有主要地位。 主要原因有以下幾個： 1)LED接口簡單；2)LED自發(fā)光且亮度高，即便在室外仍具有很好的可見度；3)容易做大，十幾平方米的大LED屏已很普遍；4)成本低、壽命長。 電氣特性 驅(qū)動電流一般為3~20mA 導(dǎo)通時管壓降一般2V左右 顯示驅(qū)動方式 靜態(tài)顯示：用于信息少 動態(tài)顯示：用于信息多,2.1 靜態(tài)顯示,,常采用的驅(qū)動器件,7406、7407 專用驅(qū)動電路如ULN2003/2008,74HC373等 有些單片機(jī)可直接驅(qū)動（拉電流，灌電流） 注：高電平時的輸出電流遠(yuǎn)小于低電平時的注入電流,,2.1 靜態(tài)顯示,,1）發(fā)光二極管類型：,超高亮: 1.7V~1.9V, 設(shè)計電流通常選為15mA 高亮: 1.6V~1.8V，設(shè)計電流通常選為12mA 普亮：1.4V~1.7V，設(shè)計電流通常選為8mA,設(shè)計電流的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境及對亮度的要求來定,常采用的驅(qū)動電路,7406、7407 專用驅(qū)動電路如ULN2003/2008,74HC373、244、245 74LS244/245等 有些單片機(jī)可直接驅(qū)動,,2）發(fā)光二極管的特性 由于LED的電流特性為近似的恒壓器件，導(dǎo)通電流I在其導(dǎo)通閥值附近快速增大，所以必須加限流電阻控制電流值。,近似的恒壓特性，使用時需串接限流電阻,注意： 大多數(shù)單管LED不應(yīng)在超過50mA的情況下長時間工作,3）限流電阻的計算,例1：某超高亮LED,5V工作，工作電流為8mA，導(dǎo)通壓降為1.7V,電路如下圖,驅(qū)動器件的低電平輸出電壓,工作電流,器件選用,高電平輸出驅(qū)動與低電平輸出驅(qū)動，器件選用和計算方法有所不同 74LS04:高電平輸出時，可以流出最大0.4mA的電流，而低電平輸出時，可以注入最大8mA的電流 74LS594的高電平輸出時，可以流出最大2.6mA的電流，而低電平輸出時，可以注入最大24mA的電流 74LS244:高電平輸出時，可以流出最大15mA的電流，而低電平輸出時，可以注入最大24mA的電流,器件選用,對需要更大輸出電流、更高輸出電壓時，還可選擇高壓輸出的OC門驅(qū)動器7406/7407。 7406/7407器件低電平時的注入電流可達(dá)40mA，高電平輸出時，可耐壓30V。 專用驅(qū)動器ULN2003/ ULN2803/ULN2023/ULN2823更適合LED的大電流驅(qū)動，導(dǎo)通時可注入500mA的極限電流，可在300mA電流下長期工作，高電平輸出耐壓可達(dá)50V(ULN2003/ULN2803)或95V(ULN2023/ULN2823)。 高電平時的輸出電流遠(yuǎn)小于低電平時的注入電流。 所以，一般情況下應(yīng)使用低電平驅(qū)動方式,例2：某室外LED數(shù)碼顯示塊，每段由100個LED組成，超高亮LED，工作電流為15mA，導(dǎo)通壓降為1.4V,選用ULN2003驅(qū)動,ULN2003工作電壓不超過50伏 選用1/2W的阻值為1KΩ ,35=25*1.4,,,,,,,,,,,,ULN2003,+48V,4） 驅(qū)動器的選擇——要考慮到2個參數(shù),（1）驅(qū)動電流——大于等于LED的工作電流 7406、7407注入電流為40mA ULN2003注入電流為300mA （2）耐壓值——大于等于驅(qū)動電壓 7406、7407耐壓值為30V ULN2003耐壓值為50V,5） LED數(shù)碼管,需注意的問題： （1）小數(shù)點(diǎn)的驅(qū)動——導(dǎo)通壓降較低和工作電流較小 （2）共陰極LED限流電阻的計算——陽極驅(qū)動電壓 專用的驅(qū)動器，高電平輸出一般在4.5V左右 大多數(shù)TTL器件，高電平輸出一般在3.5V或更低,,D,,1,,,,,Q,,1,0,1,1,,,,J,K,,,F3,Q,Q,Q,J0=1 K0=0 J1=0 K1=1 J2=0 K2=1 J3=0 K3=1,J0=0 K0=1 J1=1 K1=0 J2=0 K2=1 J3=0 K3=1,J0=1 K0=0 J1=0 K1=1 J2=1 K2=0 J3=0 K3=1,J0=1 K0=0 J1=1 K1=0 J2=0 K2=1 J3=1 K3=0,1,0,1,1,左移寄存器,6）使用串行芯片的靜態(tài)顯示使用靜態(tài)方式，通常使用移位寄存器擴(kuò)展顯示位數(shù)。常用的移位寄存器有74HC164/165，74HC594等。多片移位寄存器可串聯(lián)使用。帶輸出寄存器的8位移位寄存器74HC594更適合LED靜態(tài)顯示，由于移位和存儲寄存器都提供了分離的時鐘，即便級聯(lián)了很多片74HC594，顯示過程也不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象,圖2.5 74HC594的級聯(lián)使用及LED顯示驅(qū)動,2.2 LED的動態(tài)刷新顯示 本章重點(diǎn)難點(diǎn),LED顯示方式,1）靜態(tài)顯示 同時點(diǎn)亮，硬件較多，軟件設(shè)計簡單;靜態(tài)的LED顯示將耗用大量的I/O端口和驅(qū)動、限流電路。如要顯示10個24點(diǎn)陣漢字的單色顯示屏，將需要720個8位I/O口 2）動態(tài)顯示 輪流點(diǎn)亮，節(jié)省硬件，軟件相對復(fù)雜 數(shù)碼管較多，或為點(diǎn)陣顯示屏?xí)r，常采用矩陣掃描方式,注意兩種方法的應(yīng)用場合,視覺暫留,人眼的視覺暫留特點(diǎn)，當(dāng)顯示刷新的頻率高于某一值時，人眼將覺察不到閃爍。對LED顯示刷新而言，刷新頻率不能低于50次/秒。高于60次/秒將使視覺更舒服。 1、動態(tài)顯示的注意事項 （1）動態(tài)掃描頻率不能低于50HZ (2)要保證通過LED的瞬時電流不超過其峰值電流;顯示亮度由流過一個發(fā)光二極管的平均電流決定,建議：軟件掃描行數(shù)不能超過16行，硬件掃描可提高到32行,（2）掃描的行數(shù)：要保證通過LED的瞬時電流不超過其峰值電流行掃描線以高電平驅(qū)動，列掃描線以低電平驅(qū)動，通常以逐行掃描方式工作(以共陽顯示塊為例)，即一次掃描一行。當(dāng)一行高電平選中時，對應(yīng)位置的發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮由列掃描線是否處于低電平?jīng)Q定。適當(dāng)延時后，切換到下一行顯示，顯示亮度由流過一個發(fā)光二極管的平均電流決定。,動態(tài)掃描,注意：為了達(dá)到足夠的平均電流，必須給發(fā)光二極管提供足夠的瞬時電流 若掃描行數(shù)為16行，LED 段平均電流為8mA，（以十六行掃描作為一個掃描周期為例 ） 則段瞬時電流應(yīng)為8*16=128mA 但由于對大多數(shù)單個LED而言，大于200mA的峰值電流，可能對器件造成永久損傷，特別是當(dāng)掃描電路工作異常而引起停掃時，50mA以上的電流即可能引起LED的永久損壞。通常硬件掃描引起停掃的可能性比軟件掃描小得多，所以建議使用硬件掃描。,2、16路動態(tài)顯示驅(qū)動電路舉例,,,,,圖2.10動態(tài)LED顯示驅(qū)動電路(共陽極）,（1）限流電阻的計算： 設(shè)段平均電流為8mA，16路，VCC=5V,VT1(鍺材料)導(dǎo)通壓降為0.3V，ULN2003導(dǎo)通壓降為0.3V，高亮LED 導(dǎo)通管壓降為1.6V,,（2）行驅(qū)動電流的計算： 設(shè)16路，段平均電流為4mA ，80列超高亮LED點(diǎn)陣，則全亮?xí)r三級管應(yīng)提供的行驅(qū)動電流為,根據(jù)行驅(qū)動電流選擇三極管,,ULN2003可直接與單片機(jī)并行口直接相連,驅(qū)動少量數(shù)碼管時，可直接使用單片機(jī)并行I/O端口連接驅(qū)動和限流部分,大多數(shù)LED專用驅(qū)動芯片，都是用于共陰極數(shù)碼管,圖2.11譯碼輸出動態(tài)LED顯示驅(qū)動電路,3、單色、雙色、三色顯示 紅綠雙色LED為多，紅綠雙色同時點(diǎn)亮或交替點(diǎn)亮?xí)r，便顯示橙色，所以實際為三色顯示,,,,,,,,,2腳三色,,,,,（1）共陰雙色驅(qū)動電路,,,,,,用2個不同的行驅(qū)動,圖2.12共陰極雙色動態(tài)LED顯示驅(qū)動電路,（2）共陽雙色驅(qū)動電路,,,,RXD,TXD,P1.0,,,,,,,,,,QA,QH,QH/,SCLK,SRCLK,SER,,,,,,,,,,QA,QH,QH/,SCLK,SRCLK,SER,,,,,,,,,,74HC594,,驅(qū)動 與 限流,,,,,,A,B,C,D,/Y0,/Y15,……,,,,,,,,,,220Ω,330Ω,VCC,,,,ULN2003,,,,,,,,,,,,,驅(qū)動 與 限流,,,,,,,,,,看做2個不同的列,圖2.12共陽極雙色動態(tài)LED顯示驅(qū)動電路,2.3動態(tài)顯示刷新的專用模塊,動態(tài)刷新的方法,軟件刷新——占用CPU時間，可靠性差 硬件刷新——8279，MAX7219/7221等,8279——并行接口，需外接顯示驅(qū)動電路（見P37 圖2.14） MAX7219 串行接口，具有刷新、驅(qū)動功能， 可直接驅(qū)動8個共 陰極LED數(shù)碼管，可級聯(lián)使用 MAX7221 上升沿鎖存、高位在前、16位,,SPI接口,8279，MAX7219/7221,,1）MAX7219/7221與LED的接口電路（串行）,,,,亮度調(diào)節(jié)方法 （1）硬件調(diào)節(jié)（2）軟件調(diào)節(jié),圖2.16 MAX7219與8位LED接口,級聯(lián)方式：DOUT(1)——DIN(2),,多級串聯(lián)使用時，要使每個芯片所接LED數(shù)保持均衡,圖2.17 MAX7219驅(qū)動16個LED顯示接口,2）MAX7219/7221的再驅(qū)動,7219/7221最大段驅(qū)動電流為40mA, 每個數(shù)碼管的段平均電流為5mA。當(dāng)亮度要求較高時，可增加驅(qū)動電路,來自7219,共陽極LED,圖2.18 MAX7219在驅(qū)動,接7219,LED導(dǎo)通壓降為3.4V,2.4大尺寸顯示器的接口,大尺寸LED的特點(diǎn),工作電流大、驅(qū)動電壓大;大尺寸LED七段顯示塊，與小LED七段顯示塊相比，除驅(qū)動電流大小不同外，驅(qū)動電壓也往往要大得多。當(dāng)LED的正向?qū)▔航荡笥?.6V時，常規(guī)的驅(qū)動電路將不能正常點(diǎn)亮5V供電的LED。,導(dǎo)通電壓大于3.6V 時，常采用OC門加高壓驅(qū)動,（1）驅(qū)動電壓低于12V時，取LED導(dǎo)通壓降加2V~3V （2）LED導(dǎo)通壓降較高時，驅(qū)動電壓應(yīng)高于導(dǎo)通壓降的 15％～20％加2V, 如3.6V+ 3.6V* 20％+ 2V,若LED尺寸較大，驅(qū)動電壓高于VCC時，為驅(qū)動前應(yīng)加OC門如7407,MAX7219/7221的再驅(qū)動,見P40 圖2.20 P41 圖2.21,高壓輸出驅(qū)動電路,圖2.20 用MAX7219驅(qū)動大導(dǎo)通壓降的LED電路,,,OC門位驅(qū)動,,2.5動態(tài)顯示驅(qū)動管的散熱問題,驅(qū)動管在線路板上應(yīng)均與分布 大量的驅(qū)動塊不能集中在一起 通風(fēng)良好 驅(qū)動電壓不能太大 注意安裝,2.6 實例對線器的設(shè)計,問題長線連接信號，對線困難,1.設(shè)計思路 一端發(fā)順序號脈沖的驅(qū)動另一端的發(fā)光二極管,圖2.22 對線器的使用原理,,,,,,,,2.原理圖,圖2.23 24路對線器原理圖,圖2.23 24路對線器原理圖,3.軟件設(shè)計,圖2.24 各通道信號時序,,程序使用三個數(shù)組P0[4]、P1[4]、P2[4]分別初始化為{0xff，0x7f，0x77，0x99，0xaa}，{0x7f，0x80，0x77，0x99，0xaa}，{0，0x7f，0x77，0x99，0xaa} ，注意：77修改為87,2.7 實例：2.3英寸LED顯示器驅(qū)動電路設(shè)計 LED七段顯示器在儀器上大量使用，小型儀器通常配小LED顯示器，大型儀器則常配大尺寸LED顯示器,,圖2.26 LED引腳與性能測試原理,2.3英寸LED顯示器驅(qū)動電路設(shè)計 難點(diǎn),器件特性:電路實測應(yīng)該是首選方案，因為這時可以模擬儀器的實際使用環(huán)境，選擇最為理想的亮度來設(shè)計儀器 測試開始時，請務(wù)必將電阻阻值調(diào)到最大，以免燒壞LED。當(dāng)測試1.5英寸以上LED時，電源電壓宜選擇12V或更高。 注意：小數(shù)點(diǎn)的導(dǎo)通壓降及工作電流通常與其它段不同，應(yīng)特別注意,2.3英寸LED顯示器驅(qū)動電路設(shè)計,測得2.3英寸LED顯示器(LG23011BH)的顯示段導(dǎo)通壓降為7.1V(基本可用亮度，電流12mA)或7.3V(較高亮度，電流25mA)，40mA以上電流時，亮度增加不明顯，小數(shù)點(diǎn)的導(dǎo)通壓降為3.4V，亮度合適時的段電流為15~20mA。 驅(qū)動電壓低于12V時，取LED導(dǎo)通壓降加2V~3V,此處選擇10V供電較節(jié)能，實際使用12V供電，以便與其它開關(guān)量部件共用一組電源。 按8位顯示，平均段電流30mA設(shè)計，瞬時電流為308 選擇驅(qū)動器。ULN2003/ ULN2803/更適合LED的大電流驅(qū)動，導(dǎo)通時可注入500mA的極限電流，可在300mA電流下長期工作，高電平輸出耐壓可達(dá)50V,,,2.驅(qū)動電源選擇與電路設(shè)計,2.3英寸LED顯示器驅(qū)動電路設(shè)計,按8位顯示，平均段電流30mA設(shè)計，限流電阻R1~R7的阻值為 可取18Ω。式中，供電12V，二極管導(dǎo)通壓降7.3V，ULN2003低電平導(dǎo)通時輸出約0.3V，B546導(dǎo)通壓降按0.3V計算，段平均顯示電流30mA，8位循環(huán)顯示。,,,2.3英寸LED顯示器驅(qū)動電路設(shè)計,如果要顯示小數(shù)點(diǎn)，可將U2改為ULN2803，小數(shù)點(diǎn)的限流電阻應(yīng)為(按20mA電流設(shè)計) 使用51Ω電阻即可。 行驅(qū)動電流計算：瞬時電流列數(shù)，3088mA;根據(jù)電流選取三極管,,,