实验室无线信息显示牌的研究与制作

O 引言
    LED汉字动态显示屏是利用由多块发光二极管点阵(此处采用8×8点阵)组成的显示屏。它与传统的显示媒体，如多彩霓虹灯、像素管电视墙、四色磁翻板等相比较，具有亮度高，对比度强，动态显示效果好，故障率低，能耗少，使用寿命长，组态灵活，视觉效果好，可全天候运行等许多优点，已得到了广泛的应用。
    纵观LED显示屏发展过程，与当代科学技术的进步是密切相关的，国内第一块LED显示屏于1982年在南京火车站建成。随着电子元器件性能的提高、大规模集成电路和计算机技术的发展，LED器件的可靠性及亮度不断提高，成本不断下降，特别是金融证券行业的市场需求大幅度增长，使LED显示屏进入快速发展阶段，出现了多级灰度的LED视频显示屏。本文重点介绍了一种4个汉字无线信息显示板的设计。该电子信息显示板在数据传送和接收上采用了无线方式。在驱动电路的设计上，采用了目前广为利用的行扫描列驱动方式，并考虑了行扫描列驱动扩展功能。

1 无线信息显示牌的设计目标
    无线信息显示板的应用非常广泛，不同应用有相应的使用要求，本文期望应设计满足的要求：能够通过电脑发送所要显示的中英文字数据信息；采用无线发送数据信息；将所存储的文字信息从右向左依次滚动显示，且能很容易地刷新所要显示的信息；具有无线／有线切换开关，可以使用有线和无线2种发送数据；显示容量要足够的大；显示亮度要高，数据传输速度要快，画面要无闪烁等。

2 无线信息显示牌的设计原理及硬件实现
    关于LED显示屏的显示原理，类似于电视机。1个字符用1个16×16LED点阵显示，逐行扫描就是先点亮16×16LED点阵的第一行LED发光，由输入的列数据决定。第1行点亮持续一段时间后，再熄灭第1行后点亮第2行，第2行再持续一段时间后，再点亮第3行，以此类推，这样将16行LED依次点亮，即完成了一屏的显示，而后再返回第1行继续点亮第2屏。由于人眼视觉的暂留效应，本电路的刷新频率设为36 Hz。显示过程中利用单片机的数据存储和数据处理功能来控制显示板的显示。发送数据利用计算机的串行通信端口发送数据，采用无线发射接收的专用数据通信模块及一些辅助电路来完成PC机和单片机的数据通信。PC机使用COMl或是COM2端口通信，单片机使用RXD接收PC机所发来的数据。使用单片机的P1口与显示板进行数据传输，显示板将接收的串行数据转换为并行数据进行显示。
2．1 无线信息显示牌的设计电路框图
    电路由发射机电路(包括串口电平转换电路、发射模块电路、发射机电源电路)、接收机电路(包括接收模块电路、模块电源电路)、单片机系统板电路、以及显示驱动板电路等几大模块组成，如图1所示。

2．2 LED点阵显示屏的驱动控制
    驱动控制电路可选用74HC595(8位移位寄存器／锁存器)，如图2所示。

其中，SCK为移位脉冲信号；SER为串行信号。数据从SER端输入，每个SCK的上升沿使数据右移一位。如果要输入一组数据，即8N个，则SCK信号产生8N个脉冲，当SCK信号结束后，由RCK输出一个负脉冲，其上升沿使数据输出显示。
    驱动电路是由4／16译码器74LSl54，4953驱动芯片等组成。每片4953芯片可驱动2行LED显示。由4／16译码器输出产生一个行地址，输出为低电平来控制所有显示的行，同一行的LED处于有效状态。同时使用一条数组传送指令将列数据传送过来。就是说，当16行中的某一MOS管的基极加低电平时(平时是高电平)，这个MOS管就处于要导通的状态。那么在64列中，某一列是低电平，该列的LED就导通发光，这样就完成了一行的显示。对于这一列的驱动MOS管来说，要考虑其最大承受电流和最大耗散功率。
2．3 单片机控制电路板的原理
    无线电子信息显示板单片机部分为最常用的单片机最小系统。主要由复位电路、晶体振荡电路(12 MHz)、存储器扩展电路(扩展为32KB)构成。输出数据用P1端口，而P0，P2端口主要用来扩展外部数据存储器。P3口只使用了RXD端和INTl端。单片机的通信方式为串行异步通信方式，波特率为2 400 b／s，如图3所示。

2．4 与电脑接口电路的设计
    无线电子信息显示板与PC机之间的通信设置为单工通信方式，即只有PC机向显示板发送数据。所以它与电脑串行通信接口的连线只有两根，只用到其中的发送数据端子TXD和信号地线GND作为有线连接，由于单片机系统的电平为标准的TTL电平，在此使用MAX232A转换芯片进行电平转换。
2．5 无线数据收发模块
    nRF2401是单片射频收发芯片，需要工作于2．4～2．5 GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以5 dBm的功率发射时，工作电流只有10．5 mA；接收时，工作电流只有18 mA。其DuoCeiver TM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收2个不同频道的数据。nRF240适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

3 无线电子信息显示牌的调试
    对于单片机系统板来说，主要是系统的可靠性设计。电源、地线要恰当选取，时钟区元件接线要尽量的短，模拟地和数字地要分开布线，单片机及其他IC电路端都要加一个去耦电容。单片机不用的I／O端口要定义成输出。无线发射接收部分主要是要注意模块电源的选择，以及隔离措施的使用。发射模块的电源为12 V，制作时用整流电源加7812稳压。在使用时，接收模块一定要单独用7805稳压供电，并在信号输出端加隔离驱动后与单片机相连。接收模块要用金属壳屏蔽，再外接天线，否则接收模块极易受到单片机时钟倍频的干扰。各部分都调试完毕后，进行联合调试，该设计目标的可行性得到实验证明。

4 结语
    使用单片机对于许多智能控制来说都是很重要的；对于节省硬件电路是很有效的；对于LED电子信息显示板来说，只能依靠单片机强大的数据处理功能来实现，再加上PC电脑作为数据的发送设备，对节省电路的成本很重要。与PC机相结合，LED点阵显示板一定会发挥更大的潜力，使生活环境增加一份色彩。