1、毕 业 设 计I摘 要系统主要有三部分组成：控制板 、驱动板、显示板 。控制板采用的是Altera公司的 STC12LE89R/D+单片机和 EPM240T100C5N型 CPLD,传统的 LED大屏幕显示系统用中小规模集成电路实现，系统体积较大、调试困难、不易修改。随着大规模集成电路和复杂可编程逻辑器件的发展，器件性能大大改善，复杂可编程逻辑器件具有高集成度、高速度、高可靠性、在线可编程（ISP）等特点。所以,本课题运用复杂可编程逻辑器件来完成电路功能，不仅能够满足大屏幕系统高速图像数据传输对速度的要求，改善了电路性能，而且增加了电路设计的灵活性，设计中可以根据实际应用的需求灵活修改相应硬件
2、描述语言程序，而不需要修改电路硬件设计，缩短了设计周期，降低了成本。驱动板的功能是将信号送到显示板上。它采用的是 8位的 74HC595芯片或者是 16位的 MBI5026和。显示板的功能是在时钟控制下，对 LED大屏幕进行数据扫描，显示一幅完整的图像。关键词：LED 大屏幕 复杂可编程逻辑器件 在线可编程毕 业 设 计IIAbstractThe system mainly has three parts of compositions: Control board，actuation board, display panel。Contorl board is made up of the i
3、ntegrated circuit STC12LE89R/D+ and the CPLD EPM240T100C5N of Altera corporation.The traditional LED Displaying system was put into practice by small or middle scale integrated circuit.The bulk of system is more large;the debugging is difficult; what is more, the system is not easy to modify.With th
4、e development of large scale integrated circuit and CPLD.The capability of components have been improved a lot.CPLDs hallmark are high integrated、high speed、high reliability ISP and so on. As a result, this design accomplishs the function of circuit, which not only can satisfy the high speed image d
5、ata transmission of large screen system and improve the performance of circuit, but also increase the flexibility of circuit design. In the design, it is possible to act hardware description language procedure according to the practical application demand , instead of revising hardware design of the
6、 circuit, which reduce the design cycle and the cost.The function of actuation board is to send data to the display panel.It mainly consints of 74HC595 OR MBI5026.The function of display panel is to carry on the data scanning for LED Displaying Screen and display a complete image under the controlli
7、ng of the clock.Key word: LED Large Screen 、CPLD、 ISP毕 业 设 计III目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第一章、LED 显示屏简介 .- 1 -一.课题来源 .- 1 -二.LED 显示屏发展现状及发展趋势 .- 1 -（一）LED 发展现状 .- 1 -（二）LED 大屏幕的发展趋势 .- 3 -三.LED 显示屏的设计要求 .- 4 -（一）LED 大屏幕显示系统的分类 .- 4 -（二）LED 显示屏的设计要求 .- 5 -第二章、单元板原理图的设计 .- 7 -一.扫描方式的选择 .- 7 -二.单元板上灯
8、距的选择 .- 8 -三.单元板的尺寸选择 .- 8 -四.灯的颜色选择 .- 8 -第三章、驱动单元板的设计 .- 9 -一.LED 灯的特性简介 .- 9 -二.驱动芯片的选择 .- 11 -三.白平衡的矫正 .- 13 -四.其它辅助芯片的介绍 .- 17 -五.驱动板总体设计设计 .- 19 -第四章 、主控板原理图设计 .- 20 -一.单片机选择 .- 20 -二.CPLD 选择 .- 26 -三.发送数据速度计算 .- 28 -四.主控制板总体设计 .- 29 -第五章、PCB 板的设计 .- 31 -一.电源、地线的处理 .- 31 -二.PCB 过孔设计 .- 32 -三.过
9、孔的寄生电感 .- 33 -四.高速 PCB中的过孔设计 .- 34 -五.注意事项 .- 35 -第六章、参考文献以及网站 .- 36 -致 谢 .- 37 -附录 A.- 38 -附录 B.- 39 -毕 业 设 计IV附录 C.- 40 -毕 业 设 计- 1 -第一章、LED 显示屏简介有“日光影院”之称的高亮度 LED（Light Emitting Diode）发光二极管大屏幕文字图像显示系统已广泛用于文艺演出、体育比赛、城市广场、广告宣传、广播电视、会展中心、交通运输、医院学校、环境气象、金融证券、邮政电信、公安司法等各个领域。一.课题来源显示屏从 40 年前的黑白屏到 80 年代
10、的彩色屏，已经经过了很长一段时间的发展，现在人们已经不在满足对显示屏色彩的要求，而是对显示屏的尺寸要求越来越高，从一开始的几寸屏到后来的十几寸屏幕，现在市场上的电视屏幕 40 寸左右的比比皆是。同时人们又把目光转向了户外，希望在户外游玩、逛街的时候也能给他们的视觉带来享受。这就需要一个面积比较大的显示屏幕来实现：而原始的采用显象管技术的现实屏显然不能实现，因为体积比较大，而且比较苯重，不适于运输与安装。再就是现在流行的液晶现实技术，它虽然比较轻，但是它容易损坏，而且用在户外亮度也不够高，所以液晶显示屏也不适用。LED 大屏幕显示系统是集光电技术、视频技术和计算机技术等多种学科相结合的高科技产品
11、。其特点是：图像色彩鲜艳、高亮度、寿命长、视角大、视距远、显示面积没有限制、占用空间小、电源利用率高、使用简单、维护方便、适合于室内和室外安装 近年来,LED 大屏幕电子显示屏作为一种高科技产品日益引起人们的重视. 它可以实时显示或循环播放文字、图形和图像信息, 具有显示方式丰富、观赏性强、显示内容修改方便、响应速度快、亮度高、显示稳定、功耗低且寿命长等多种优点, 被广泛应用于工业控制、商业广告、体育比赛、交通等诸多领域, 是信息传播的有力工具之一。二.LED 显示屏发展现状及发展趋势（一）LED 发展现状LED 显示屏实质上是由一个个发光二极管构成. 对单色显示屏, 每个像素只有一种颜色,
12、根据选用的发光器件不同, 通常可分为绿色、红色和黄色等. 对彩色显示屏, 是在每个像素点KC017-1毕 业 设 计- 2 -上安排具有红、绿、蓝三基色的显示器件形成混合色, 产生各种色彩和灰度, 在屏幕上显示.显示屏按使用的场合, 分为室外和室内两种. 室外的 LED 显示屏处于露天环境中, 考虑到光照、天气适应性、视角和可靠性等因素, 要将发光二极管和印刷电路板一体封装成集束像素管来显示. 室内的 LED 显示屏, 通常直接采用发光二极管组成的显示模块. 每个发光二极管显示点的大小按直径分为 3、5、8 或 10 等. 88 像素的 LED 显示模块含有 8 路行输入信号和 8 路列输入信
13、号. 一路行信号和一路列信号同时作用, 能够驱动交叉点的发光像素现代社会已经迈入信息化时代，信息传播速度越来越快，地球越来越小，人们对信息的依赖程度也越来越高。信息技术自然成为优先发展的关键技术之一，它包括很多方面，如信息的数字化、信息的处理、信息的传播、信息的存储、信息的转换和信息的再现等等。信息可以分为文本、图形、声音、动画、视频等多种形式。各种形式的信息分别以报刊、广播、电话、电视等多种信息进行发布。随着计算机技术，尤其是网络技术的发展，信息的存储形式更加灵活多样，传播速度也更加快捷。在网上，信息以各种文件格式保存，并以数据包的形式在网上传输。LED 显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起
14、来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成在面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。LED 大屏幕的发展状况与趋势发光二极管(LED) 是六十年代未发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和 P 一 N 结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，L 印在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始领先者， sonyJumboTron 的销量超过了其它所有厂
15、商销量的总和。Sony 的技术特点在于采用了独特的图像控制器。JumboTron采用 10 比特而不是传统的 8 比特系统进行处理，确保了图像的高清晰度。这些正是JumboTron 享誉全球的特点。sonyJumboTron 充分利用最先进的 LED 技术，使得显示屏具备了高亮度、轻重量的特点。目前，全世界有 23 个国家在使用 JumboTron 超大屏幕电子显示屏，总使用面积已超过 14，000 平方米。在使用 LED 技术设计和制造大尺寸显示屏幕这一领域，SACOSMARI，VlsION 公司处于世界领先地位。该公司推出的 LED 显示屏采用数百万分散的红，绿，蓝 LED 制造而成，提供
16、的分辨率和观察视角要远远好于任何一种投射或者层叠大尺寸显示器。SACOSMARTVISION 公司为纽约时代广场制造了一台用于庆祝新千年降毕 业 设 计- 3 -临的超级显示屏幕。这台超级显示屏幕尺寸为 120 英尺 x90 英尺。该屏具有巨大的尺寸，良好的分辨率和多功能性。我国在 LED 领域的研究开发工作成绩斐然。目前我国的普绿和高亮度纯红 LED 己经基本实现商品化，但是，高亮度的纯蓝、纯绿 LED 在我国尚属空白。（二）LED 大屏幕的发展趋势显示产品和技术作为人机信息视觉传播媒体在现代信息社会中得到迅速发展。二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED 显示屏作为平板显示的主导产品
17、之一将有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。1.国外发展趋势白光 LED 是 LED 产业中最被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光 LED 在照明市场的前景倍受全球瞩目，欧、美及日本等先进国家也投注许多人力，并成立专门的机构推动白光 LED 研发工作。所谓白光是多种颜色混合而成的光，以人类眼睛所能见的白光形式至少需要两种光混合。目前白光 LED 的关键技术是蓝光技术，专利权还掌握在日亚化等少数厂商手中。HP、Siemens、CreeReseareh 、EMCORE 是其他几家生产高亮度 LED 的代表性厂商，对白光 LED 的开发也很积极。台湾亿
18、光与长庚大学进行共同研究，并陆续出货下游相关产品。美国 Cree 公司目前正在制造使用 siC 基板的氮化嫁系列 LED。日本的 Rohm 公司针对使用碳化硅(siC)基板的氮化嫁 (GaN)系列发光二极管以及半导体激光元件的开发，决定和美国 Cree.展开技术合作。可见国外 LED 显示屏技术主要集中在新材料的开发上，以新发光材料来提高显示屏的视觉效果、能耗等各种性能。2.国内 LED 显示屏技术的发展趋势国内的 LED 显示屏主要朝一下几个方向发展：a.高亮度、全彩化蓝色及纯绿色 LED 产品自研制成功以来，成本逐年快速降低，己具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化 LED 全彩色显示产品
19、成本下降，应用加快。LED 产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED 显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品。b.新材料的研究加快在各种制造 LED 的材料当中，尤其以氮化嫁 (GaN)为代表的第三代半导体材料最为引人毕 业 设 计- 4 -注目，GaN 发光效率高，抗辐射性能和耐热性能极佳，强度和硬度高，并且耐酸性强，是一种极具应用价值的半导体材料，因此，氮化稼材料及其合金最适宜于制造短波长发光器件，发光波长范围包
20、括绿、蓝、紫等多种波段，普遍用来制造蓝光和绿光 LED。引人注目的是，在蓝光 LED 技术的基础上以蓝光激发 YAG 荧光材料而制造成功的白光 LED 渐成新宠，深受广大用户欢迎，有望成为照明领域的一支新军，因此，目前在全球 LED 市场上，蓝、绿、白光 LED 正在开始形成三足鼎立的态势，成为最具发展潜力的 LED 产品。c.标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED 显示屏标准化和规范化将成为 LED显示屏发展的一个新趋势。产品质量，系统的可靠性等是主要的竞争因素，这就对 LED 显示屏的标准化和规范化有了较高要求。行业规范和标准体系的形成，1509000 系列标准的应
21、用，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，LED 显示屏行业的发展趋于有序。d.产品结构多样化信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED 显示屏的应用前景更为 J“阔。预计大型或超大型 LED 显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型 LED 显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的 LED 显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统，LED 显示屏在 LED 显示屏市场总量中将会占青多数份额。总之，在 LED 大屏幕材料研制方
22、面，单色、多色 LED 点整模块产品已经很成熟，目前的发展方向为全彩色 LED，领先技术是蓝光技术，发展趋势是白光技术的开发和应用:在产品方面，LED 屏幕朝标准化、大型化和小型化方向发展三.LED 显示屏的设计要求（一）LED 大屏幕显示系统的分类1 按使用环境，可分为室内显示屏和室外显示屏两类室外显示屏要求亮度高，防水性能应符合 IP40IP65。室内的工作环境较好，亮度也可比室外屏低。2 按显示颜色，可分为单基色 LED 屏（包含伪彩色 LED 屏）、双基色 LED 屏和三基毕 业 设 计- 5 -色全彩色 LED 屏。a.单基色 LED 屏（Single-Color-LED Pane）
23、。主要用于显示文字、行情和单色图形、图像。造价便宜。常用颜色红、黄、绿三种。b.伪彩色 LED 屏（Pseude-Color-LED Panel）。是指在显示屏的不同区域安装不同颜色的单基色 LED 器件构成的显示屏。c.双基色 LED 屏（Double-Color LED Pane）。由红、绿两种颜色 LED 器件组成单个像素的显示屏。可显示各种单个像素的显示屏。可显示各种文档资料、图形、动画和行情信息，也可霞石色彩不完全（缺蓝色）的电视图像。d.三基色全彩 LED 屏（All-Color LED Panel）。每个像素有 R、G 、B（即红、绿、蓝）三种颜色的发光二极管组成。可显示各种信息
24、和电视图像。能显示数以万计的各种色彩，是真正能的全彩色电视图像（二）LED 显示屏的设计要求1 LED 显示屏的发光亮度室内表面的发光亮度不低于 1000cd/m*m；室外表面的发光亮度应不低于3000cd/m*m。 LED 显示屏表面的发光亮度与 LED 发光二极管的性能、直径、间距、等因数有关。单点 LED 发光二极管的标称直径有3mm、3.75mm、5mm、8mm、19mm、22mm、26mm 等。室外屏一般要求发光亮度高，一般都应选用直径较大的 LED。2 LED 显示屏的像素密度和图形分辨率显示屏的像素密度是指单位面积内包含 LED 像素的数量。它与图形分辨率直接相关。像素越多，图像
25、分辨率越高。a.像素组成单基色 LED 显示屏的每个像素由 1 个单色 LED 发光二极管组成。即每个像素包含1 个 LED 发光二极管。双基色 LED 显示屏的每个像素由 2 个 2 种单色的 LED 发光二极管，又称 1 个双基色实像素。三基色全彩 LED 显示屏的每个像素由 3 个（或 4 个）3 种单色 LED 发光二极管组成。即每个像素包含 34 个 LED 发光二极管，由称 1 个三基色实像素，包含 34 个虚像毕 业 设 计- 6 -素，如 2 红+1 纯绿+1 蓝。b.屏幕图形分辨率与视频信号的分辨率的匹配关系如果输入视频信号的分辨率（如 1024*768）高与显示分辨率（如
26、800*600），那么显示屏只能以图形分辨率（即 800*400）。3 图像的灰度等级图像的灰度等级分为 16（4bit）、32(5bit)、64(6bit)、128(7bit)、256(8bit)等多个等级。灰度等级越高，色彩的层次越多。4 视角水平视角=120 度，垂直视角=50 度。与发光二极管的封装形状有关。5 显示屏亮度的不均匀性不大于 5%。6 LED 发光二极管的失控点a.室内 LED 屏的失控点应少于万分之三（0.0003）。b.室外 LED 屏的失控点应少于千分之二（0.0002）。7 可靠性的要求LED 显示屏单元的平均无故障工作时间 MTBF 不低于 10 000 小时。8 LED 显示屏的工作环境要求a.温度：室内屏的环境温度： 0 C40 C：室外环境温度：-10 C-+50 Cb.湿度：在最高温度时，相对湿度为 90%的条件下能正常工作。室外屏应符合 IP标准各等级的防尘、防水要求。
