LED显示系统的单线串接通信方法

　　摘要： 该文介绍了一种先进的发光二极管(LED)显示系统的单线串接通信方法，该通信方法具有通信效率高、指令丰富、控制灵活、同步效果好等特点。可以有效地解决传统LED通信系统信号传输苛刻的时序配合问题，提高整个LED显示系统的稳定性和控制灵活性，同时也比当前LED通信系统具有更高的效率。

　　关键词： 发光二极管显示系统;单线;通信方法;指令

　　A1-wire System and Communication Method for LED Display System

　　Abstract :This article introduces single serial communication method of an advanced LED,which includes following function-high  efficiency, rich instructions, flexible control,Good synchronous etc. In addition, it can also solve the timing matching problem when  the traditional communication system transmit signals,it improved stability and flexibility control of LED system. Simultaneously, it showed higher efficiency than the current LED communication system.

　　keywords : Light emitting diode,single line,communication methods, instructions

　　1引言

　　随着经济和社会的快速发展，以发光效率高、安全可靠、使用寿命长和环保节能为显著特点的LED受到广泛的重视。在LED应用系统中，由于每个LED芯片所能驱动的单元灯数目有限，若要实现大规模系统，就必须对LED驱动电路进行串接，从而驱动更多的单元灯。所述的单元灯是一个像素，可以由3个LED灯组成，例如红色LED灯，蓝色LED灯和绿色LED灯。在大型的LED显示系统中，单元灯之间信号线繁多、连接稳定性差一直是应用的难点。因此需要从LED通信系统和通信方法入手，采用本文介绍的新型单线串接通信方法成为解决目前问题的有效方法。

　　2 常用的LED通信系统及通信方法

　　目前大多数大型LED显示系统中，LED控制电路与LED驱动电路构成的通信系统的主体，往往采用四根或者更多根串接传输线来实现信号的传输。LED控制电路与多个LED驱动电路通过数据线串接，时钟信号线、锁存信号线并接，通过数据线的串接和时钟信号线的配合，LED控制电路将数据依次发送给串接的LED驱动电路。通过并联的锁存信号线，LED控制电路对所有LED驱动电路同时发出数据锁存指令。LED驱动电路之间，依次串行传输下去，完成串接信号的传输，同时通过串接信号实现对各LED芯片所控制的灯点的控制。由于时钟信号线和锁存信号线并联，LED控制电路输出的时钟信号线和锁存信号线受驱动能力限制，如果需要驱动大量的LED驱动电路，就需要更多的时钟信号线和锁存信号线的数量，或者在LED控制电路与LED驱动电路之间增加端口驱动电路，增强时钟信号线和锁存信号线的驱动能力，如图1所示：

　　图1常用的LED显示驱动系统

该通信方法要求四条传输线上的信号之间需要保证严格的时序配合关系，一旦时序配合不准确，数据信号就不能正确传输，整个LED显示系统的串接信号也就无法正确传输，造成整个LED显示系统的瘫痪。

　　3新型LED显示系统

　　及其单线串接通信方法本文提出了一种新型的应用于LED显示系统，尤其是大型LED显示系统的LED显示系统和单线串接通信方法。该通信系统基于单线通信协议，利用数据编码的方式在一条数据传输信道上实现RGB三色信号以及其它信号的传输。LED控制电路与多个LED驱动电路通过单线串接，相对于图1所示系统，减少了数据传输所需要的线路，线路实现简单。通信方法是LED通信系统的关键，本文重点提出了一种先进的单线串接通信方法，该通信方法具有通信效率高、指令丰富、控制灵活、同步效果好等特点。可以有效地解决传统LED通信系统信号传输苛刻的时序配合问题，提高整个LED显示系统的稳定性和控制灵活性，同时也比当前LED通信系统具有更高的效率。

　　3.1系统架构

　　该通信系统由LED控制电路和若干LED驱动电路串接组成，包括一个LED控制电路和多个LED驱动电路，驱动电路的数量视LED显示系统的规模而定。该系统基于单线通信协议，具有总线结构简单、接口方便、抗干扰能力强等特点，简化了传统LED显示系统中通信系统的复杂性。系统架构图如图2所示。

图2LED串接通信系统

　　LED控制电路包括发送端和接收端，发送端连接第一个LED驱动电路接收端，LED驱动电路发送端串接下一个LED驱动电路接收端，最后一个LED驱动电路N的发送端可以连接LED控制电路的接收端，由此组成了本文所述的LED显示系统的通信系统

　　3.2通信方法

　　3.2.1通信原理

　　该通信原理是系统将需要传输给各个LED单元灯驱动电路的信号用一组串行的帧数据表示，接收这些信号的LED单元灯驱动电路从输入帧数据中，根据通信模式和指令类型接收并处理接收到的数据，将处理后的数据构建成新的帧数据作为输出，根据通信模式和指令类型发送给后续地址有效的LED驱动电路，完成一次通信。

　　3.2.2时序逻辑与指令模型

　　3.2.2.1时序逻辑

　　本文提出的系统中，LED控制电路和各LED驱动电路同时作为发送方和接收方，进行发送方与接收方的通信，发送方的输出端通过单线与接收方的接收端连接，发送方发出三类时序：复位时序、数据时序和处理时序，接收方接收并解码这三类时序后进行相应的操作。这里复位时序定义为超过T1时间的高电平，处理时序定义为超过T2时间的低电平，数据时序定义为由逻辑0和逻辑1组成的数据串，根据需要可以为复位时序和处理时序以外的所有时序，接收

　　方可以通过解码获得多位数据。为了灵活实现LED控制电路对部分或者全部LED驱动电路进行操作，设计了LED地址有效确认时序，由复位时序、数据时序和处理时序组成，根据指令有效范围分以下几种类型：

　　1)全地址类型，指的是指令对系统中所有LED驱动电路有效，由处理时序0、数据时序1和处

　　理时序1依次组成，如图3a)，数据时序1包含需要执行的指令信息;

　　2)单地址类型，指的是指令对系统中单个LED驱动电路有效，由处理时序0、数据时序1、处理时序1、数据时序2和处理时序2依次组成，如图3b)，数据时序1包含需要执行的指令信息，数据时序2中包含该地址信息;

　　3)开始地址类型，指的是指令对系统中某个地址开始的所有LED驱动电路有效，由处理时序0、数据时序1、处理时序1、数据时序2和处理时序2依次组成，如图3c)，数据时序1包含需要执行的指令信息，数据时序2中包含该开始地址信息;

　　4)区间地址类型，指的是指令对系统中从某个地址到另一个地址结束的区间内所有LED驱动电路有效，由处理时序0、数据时序1、处理时序1、数据时序2、处理时序2、数据时序3和处理时序3依次组成，如图3d)所示，数据时序1包含需要执行的指令信息，数据时序2和数据时序3中分别包含该区间的开始和结束地址信息。

　　图3发送方与接收方的一次地址有效确认时序示意图

　　3.2.2.2指令模型

　　基于上述通信原理和单线协议，设计出了六种串行通信控制与驱动的指令模型，用来定义LED控制电路和LED驱动电路之间的指令操作。LED驱动电路中通信模式寄存器表示的模式包括直通模式、发送处理时序模式、发送数据时序模式。LED控制电路发出的指令类型包括：操作指令、数据设置指令、数据串送指令、数据移动指令、数据回读指令和错误地址回读指令。LED控制电路与各LED驱动电路的通信，根据实际需要由上述指令类型组合实现。

　　操作指令

　　操作指令由作为发送方的LED控制电路或LED驱动电路发出，由复位时序、地址有效确认时序和复位时序依次组成，如图4所示。当发送方和接收方进行操作指令通信时，所有LED驱动电路一直为直通模式，地址确认

　　图4操作指令通信时序示意图

　　有效的LED驱动电路根据指令同步执行，实现操作功能。同时，可以根据对指令更详细的定义进行其它多种类型的操作，如数据从数据寄存器到输出驱动的锁存、两色交换、运算、时钟模式设置等，不同的操作可以根据实际应用需要设计。

　　数据设置指令

　　数据设置指令由作为发送方的LED控制电路或LED驱动电路发出，由复位时序、地址有效确认时序、数据时序1、处理时序1和复位时序依次组成，数据时序1中包含LED控制电路需要发送给所有地址有效的LED驱动电路数据的信息。此时所有LED驱动电路一直为直通模式，地址确认有效的LED驱动电路根据指令同步将接收的数据置入数据寄存器，实现数据设置功能，如图5所示。

图5数据设置指令通信时序示意图

　　数据串送指令

　　数据串送指令由作为发送方的LED控制电路发出，由以下时序依次组成：复位时序、地址有效确认时序、数据时序1、处理时序1、…、数据时序i、处理时序i、…、数据时序N2、处理时序N2、复位时序，如图6所示。

图6数据传送指令通信时序示意图

　　数据时序1、…、数据时序N2分别包含LED控制电路需要发送给各地有效的LED驱动电路的数据信息，N2表示需要串送的地址个数。此时地址确认无效的LED驱动电路一直为直通模式;地址确认有效的LED驱动电路将进行以下操作：把接收的指令时序中属于本LED驱动电路的数据时序替换为处理时序进行发送，并将接收的相应数据置入数据寄存器，实现数据串送功能。

　　数据移动指令

　　数据移动指令由作为发送方的LED控制电路或LED驱动电路发出，由以下时序依次组成：复位时序、地址有效确认时序、数据时序i、处理时序i、复位时

图7数据移动指令通信时序示意图

　　序，如图7所示，数据时序i中包含上一个地址有效的LED驱动电路的数据信息。此时地址确认无效的LED驱动电路一直为直通模式;地址确认有效的LED驱动电路将进行以下操作：把接收的指令时序中上一个地址确认有效的LED驱动电路的数据时序替换为本LED驱动电路的数据时序进行发送，并将接收的相应数据置入数据寄存器，实现数据移动功能。

　　数据回读指令

　　数据回读指令由作为发送方的LED控制电路发出，由复位时序、地址有效确认时序和复位时序依次组成，如图8所示。此时地址确认无效的LED驱动电路一直为直通模式，地址确认有效的LED驱动电路在接收的指令时序中增加本LED驱动电路的数据时序和处理时序发送，实现数据回读功能。

　　图8数据回读指令通信时序示意图

　　错误地址回读指令

　　错误地址回读指令由作为发送方的LED控制电路发出，由复位时序、地址有效确认时序和复位时序依次组成，如图9所示。此时地址确认无效的、或地址确认有效但错误寄存器值表示没有错误的LED驱动电路一直为直通模式;地址确认有效且错误寄存器值表示有错误的LED驱动电路将接收的指令时序中增加本LED驱动电路的地址数据时序和处理时序发送，实现错误地址回读功能。接收方的错误寄存器记录LED驱动电路对外接LED灯连接时检测得到的错误类型值，如开路、短路等。

图9错误地址回读指令通信时序示意图

　　3.2.3通信方法

　　基于上述的通信原理和指令模型，本文提出了如下应用于LED显示系统的单线串接通信方法：

　　LED控制电路与若干个LED驱动电路串接组成LED通信系统，由LED控制电路实现对串接的LED驱动电路的控制，并与各LED驱动电路进行通信，从而实现对各个LED单元灯RGB信号的控制。

　　LED控制电路与各LED驱动电路的一次通信开始时，LED控制电路发出一条指令的复位时序，

　　将串接的各LED驱动电路的通信模式寄存器设置为直通模式，每一次通信都以直通模式开始;进行LED控制电路对串接的若干个LED驱动电路的同步通信，各LED驱动电路再根据同步接收到的LED控制电路或前一个LED驱动电路发出的指令及地址有效确认结果进行操作，选择是否将直通模式设置为发送处理时序模式或发送数据时序模式，完成相应的指令操作、数据送入或回读功能。一次通信结束时，LED控制电路发出一条指令的复位时序，最终将各LED驱动电路的通信模式寄存器恢复为直通模式。

　　4 一款单线的IC:

　　4.1  IC特性

　　•                 3通道恒流输出

　　•                 支持单线传输，只需一根信号线

　　•                 可支持双数据通道传输

　　•                 精确恒流驱动控制，通道间±1.5%，芯片间±3%

　　•                 4096级灰阶PWM控制

　　•                 0-30mA电流调节

　　•                 内建LDO，可以工作在5-17V范围

　　•                 输出引脚耐压可达17V

　　•                 ESD>7KV

　　4.2 功能框图

　　4.3恒流特性

　　4.3.10-30mA可调节，可通过外挂电阻调节，Iout = (Vref/R)*2*13.8，Vref≈0.46V

　　4.3.2精确的输出电流精度：通道之间+/-1.5%，芯片之间+/-3%

　　4.4典型应用电路

　　4.5  设计注意事项：

　　4.5.1 VDD供电电压范围：SOP14和SSOP10供电电压范围：5-17V，在CAP引脚需连接一个1uF的滤波电容，供电电压范围：4.5-7.5V，VDD和GND之间须有一个0.1uF的滤波电容

　　4.5.2     封装承受最大功耗：IC承受最大功耗0.827W,在设计时候要注意加到IC上的功耗不能大于封装所能承受的功耗

　　4.5.3 为保证信号的传输质量和抗干扰能力，信号线最好用地屏蔽。

　　4.5.4 为了防止信号冲击，信号输入端串联51欧姆保护电阻

　　5 结论

　　本文提出的LED显示系统的单线串接通信方法和指令模型，具有通信效率高、指令丰富、控制灵活、同步效果好等优点，可以有效地将LED显示系统中的控制电路与大量LED驱动电路通过单线串接构成串接通信系统，成本较低、布线简单、抗干扰能力强。该LED显示系统单线串接通信方法适用于各种LED显示系统，尤其是大型LED显示系统。

　　参考文献

　　[1]诸昌钤.LED显示屏系统原理及工程技术[M].成都：电子科技大学出版社，2000.

　　[2]蒋占军.数据通信技术教程[M].北京：机械工业出版社，2005.06.

　　[3]杨恒.LED照明驱动电路设计与实例精选[M].中国电力出版社，2008.01.

　　参考文献

　　[1]EATINGM,BRICAUDP.Reusemethodologymanualforsystem-on-a-chipdesign[M].3rded.New

　　York:KluwerAcademicPublisher,2002:247-249,219-220.

　　[2]NURMIJ,TENHUNENH,ISOAHOJ,etal.Interconnect-centricdesignforadvancedSOCandNOC

　　[M].Boston:KluwerAcademicPublishers,2004:212-216.

　　[3]OCP-IPGroup.Opencoreprotocolspecification(r2.1)[EB/OL].(2007-06-03).http://www.ocpip .

　　org/home/.

　　[4]ARMltd.AMBAspecification:rev2.0[R].1999.

　　[5]JanickBergeron,EduardCerny,AlanHunter,AndrewNightingale.VerificationMethodologyManual

　　forSystemVerilog[M].Springers2006Synopsys,IncandARMLimited,2006:265-266.