摘要： 該文介紹了一種先進(jìn)的發(fā)光二極管(LED)顯示系統(tǒng)的單線串接通信方法，該通信方法具有通信效率高、指令豐富、控制靈活、同步效果好等特點(diǎn)?？梢杂行У亟鉀Q傳統(tǒng)LED通信系統(tǒng)信號傳輸苛刻的時(shí)序配合問題，提高整個(gè)LED顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制靈活性，同時(shí)也比當(dāng)前LED通信系統(tǒng)具有更高的效率。

　　關(guān)鍵詞： 發(fā)光二極管顯示系統(tǒng);單線;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

　　隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，以發(fā)光效率高、安全可靠、使用壽命長和環(huán)保節(jié)能為顯著特點(diǎn)的LED受到廣泛的重視。在LED應(yīng)用系統(tǒng)中，由于每個(gè)LED芯片所能驅(qū)動(dòng)的單元燈數(shù)目有限，若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，就必須對LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行串接，從而驅(qū)動(dòng)更多的單元燈。所述的單元燈是一個(gè)像素，可以由3個(gè)LED燈組成，例如紅色LED燈，藍(lán)色LED燈和綠色LED燈。在大型的LED顯示系統(tǒng)中，單元燈之間信號線繁多、連接穩(wěn)定性差一直是應(yīng)用的難點(diǎn)。因此需要從LED通信系統(tǒng)和通信方法入手，采用本文介紹的新型單線串接通信方法成為解決目前問題的有效方法。

　　2 常用的LED通信系統(tǒng)及通信方法

　　目前大多數(shù)大型LED顯示系統(tǒng)中，LED控制電路與LED驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的通信系統(tǒng)的主體，往往采用四根或者更多根串接傳輸線來實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。LED控制電路與多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路通過數(shù)據(jù)線串接，時(shí)鐘信號線、鎖存信號線并接，通過數(shù)據(jù)線的串接和時(shí)鐘信號線的配合，LED控制電路將數(shù)據(jù)依次發(fā)送給串接的LED驅(qū)動(dòng)電路。通過并聯(lián)的鎖存信號線，LED控制電路對所有LED驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)鎖存指令。LED驅(qū)動(dòng)電路之間，依次串行傳輸下去，完成串接信號的傳輸，同時(shí)通過串接信號實(shí)現(xiàn)對各LED芯片所控制的燈點(diǎn)的控制。由于時(shí)鐘信號線和鎖存信號線并聯(lián)，LED控制電路輸出的時(shí)鐘信號線和鎖存信號線受驅(qū)動(dòng)能力限制，如果需要驅(qū)動(dòng)大量的LED驅(qū)動(dòng)電路，就需要更多的時(shí)鐘信號線和鎖存信號線的數(shù)量，或者在LED控制電路與LED驅(qū)動(dòng)電路之間增加端口驅(qū)動(dòng)電路，增強(qiáng)時(shí)鐘信號線和鎖存信號線的驅(qū)動(dòng)能力，如圖1所示：

　　圖1常用的LED顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該通信方法要求四條傳輸線上的信號之間需要保證嚴(yán)格的時(shí)序配合關(guān)系，一旦時(shí)序配合不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)信號就不能正確傳輸，整個(gè)LED顯示系統(tǒng)的串接信號也就無法正確傳輸，造成整個(gè)LED顯示系統(tǒng)的癱瘓。

　　3新型LED顯示系統(tǒng)

　　及其單線串接通信方法本文提出了一種新型的應(yīng)用于LED顯示系統(tǒng)，尤其是大型LED顯示系統(tǒng)的LED顯示系統(tǒng)和單線串接通信方法。該通信系統(tǒng)基于單線通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)編碼的方式在一條數(shù)據(jù)傳輸信道上實(shí)現(xiàn)RGB三色信號以及其它信號的傳輸。LED控制電路與多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路通過單線串接，相對于圖1所示系統(tǒng)，減少了數(shù)據(jù)傳輸所需要的線路，線路實(shí)現(xiàn)簡單。通信方法是LED通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，本文重點(diǎn)提出了一種先進(jìn)的單線串接通信方法，該通信方法具有通信效率高、指令豐富、控制靈活、同步效果好等特點(diǎn)。可以有效地解決傳統(tǒng)LED通信系統(tǒng)信號傳輸苛刻的時(shí)序配合問題，提高整個(gè)LED顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制靈活性，同時(shí)也比當(dāng)前LED通信系統(tǒng)具有更高的效率。

　　3.1系統(tǒng)架構(gòu)

　　該通信系統(tǒng)由LED控制電路和若干LED驅(qū)動(dòng)電路串接組成，包括一個(gè)LED控制電路和多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)量視LED顯示系統(tǒng)的規(guī)模而定。該系統(tǒng)基于單線通信協(xié)議，具有總線結(jié)構(gòu)簡單、接口方便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，簡化了傳統(tǒng)LED顯示系統(tǒng)中通信系統(tǒng)的復(fù)雜性。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2LED串接通信系統(tǒng)

　　LED控制電路包括發(fā)送端和接收端，發(fā)送端連接第一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路接收端，LED驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送端串接下一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路接收端，最后一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路N的發(fā)送端可以連接LED控制電路的接收端，由此組成了本文所述的LED顯示系統(tǒng)的通信系統(tǒng)

　　3.2通信方法

　　3.2.1通信原理

　　該通信原理是系統(tǒng)將需要傳輸給各個(gè)LED單元燈驅(qū)動(dòng)電路的信號用一組串行的幀數(shù)據(jù)表示，接收這些信號的LED單元燈驅(qū)動(dòng)電路從輸入幀數(shù)據(jù)中，根據(jù)通信模式和指令類型接收并處理接收到的數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)構(gòu)建成新的幀數(shù)據(jù)作為輸出，根據(jù)通信模式和指令類型發(fā)送給后續(xù)地址有效的LED驅(qū)動(dòng)電路，完成一次通信。

　　3.2.2時(shí)序邏輯與指令模型

　　3.2.2.1時(shí)序邏輯

　　本文提出的系統(tǒng)中，LED控制電路和各LED驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)作為發(fā)送方和接收方，進(jìn)行發(fā)送方與接收方的通信，發(fā)送方的輸出端通過單線與接收方的接收端連接，發(fā)送方發(fā)出三類時(shí)序：復(fù)位時(shí)序、數(shù)據(jù)時(shí)序和處理時(shí)序，接收方接收并解碼這三類時(shí)序后進(jìn)行相應(yīng)的操作。這里復(fù)位時(shí)序定義為超過T1時(shí)間的高電平，處理時(shí)序定義為超過T2時(shí)間的低電平，數(shù)據(jù)時(shí)序定義為由邏輯0和邏輯1組成的數(shù)據(jù)串，根據(jù)需要可以為復(fù)位時(shí)序和處理時(shí)序以外的所有時(shí)序，接收

　　方可以通過解碼獲得多位數(shù)據(jù)。為了靈活實(shí)現(xiàn)LED控制電路對部分或者全部LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)了LED地址有效確認(rèn)時(shí)序，由復(fù)位時(shí)序、數(shù)據(jù)時(shí)序和處理時(shí)序組成，根據(jù)指令有效范圍分以下幾種類型：

　　1)全地址類型，指的是指令對系統(tǒng)中所有LED驅(qū)動(dòng)電路有效，由處理時(shí)序0、數(shù)據(jù)時(shí)序1和處

　　理時(shí)序1依次組成，如圖3a)，數(shù)據(jù)時(shí)序1包含需要執(zhí)行的指令信息;

　　2)單地址類型，指的是指令對系統(tǒng)中單個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路有效，由處理時(shí)序0、數(shù)據(jù)時(shí)序1、處理時(shí)序1、數(shù)據(jù)時(shí)序2和處理時(shí)序2依次組成，如圖3b)，數(shù)據(jù)時(shí)序1包含需要執(zhí)行的指令信息，數(shù)據(jù)時(shí)序2中包含該地址信息;

　　3)開始地址類型，指的是指令對系統(tǒng)中某個(gè)地址開始的所有LED驅(qū)動(dòng)電路有效，由處理時(shí)序0、數(shù)據(jù)時(shí)序1、處理時(shí)序1、數(shù)據(jù)時(shí)序2和處理時(shí)序2依次組成，如圖3c)，數(shù)據(jù)時(shí)序1包含需要執(zhí)行的指令信息，數(shù)據(jù)時(shí)序2中包含該開始地址信息;

　　4)區(qū)間地址類型，指的是指令對系統(tǒng)中從某個(gè)地址到另一個(gè)地址結(jié)束的區(qū)間內(nèi)所有LED驅(qū)動(dòng)電路有效，由處理時(shí)序0、數(shù)據(jù)時(shí)序1、處理時(shí)序1、數(shù)據(jù)時(shí)序2、處理時(shí)序2、數(shù)據(jù)時(shí)序3和處理時(shí)序3依次組成，如圖3d)所示，數(shù)據(jù)時(shí)序1包含需要執(zhí)行的指令信息，數(shù)據(jù)時(shí)序2和數(shù)據(jù)時(shí)序3中分別包含該區(qū)間的開始和結(jié)束地址信息。

　　圖3發(fā)送方與接收方的一次地址有效確認(rèn)時(shí)序示意圖

　　3.2.2.2指令模型

　　基于上述通信原理和單線協(xié)議，設(shè)計(jì)出了六種串行通信控制與驅(qū)動(dòng)的指令模型，用來定義LED控制電路和LED驅(qū)動(dòng)電路之間的指令操作。LED驅(qū)動(dòng)電路中通信模式寄存器表示的模式包括直通模式、發(fā)送處理時(shí)序模式、發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序模式。LED控制電路發(fā)出的指令類型包括：操作指令、數(shù)據(jù)設(shè)置指令、數(shù)據(jù)串送指令、數(shù)據(jù)移動(dòng)指令、數(shù)據(jù)回讀指令和錯(cuò)誤地址回讀指令。LED控制電路與各LED驅(qū)動(dòng)電路的通信，根據(jù)實(shí)際需要由上述指令類型組合實(shí)現(xiàn)。

　　操作指令

　　操作指令由作為發(fā)送方的LED控制電路或LED驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出，由復(fù)位時(shí)序、地址有效確認(rèn)時(shí)序和復(fù)位時(shí)序依次組成，如圖4所示。當(dāng)發(fā)送方和接收方進(jìn)行操作指令通信時(shí)，所有LED驅(qū)動(dòng)電路一直為直通模式，地址確認(rèn)

　　圖4操作指令通信時(shí)序示意圖

　　有效的LED驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)指令同步執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)操作功能。同時(shí)，可以根據(jù)對指令更詳細(xì)的定義進(jìn)行其它多種類型的操作，如數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器到輸出驅(qū)動(dòng)的鎖存、兩色交換、運(yùn)算、時(shí)鐘模式設(shè)置等，不同的操作可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要設(shè)計(jì)。

　　數(shù)據(jù)設(shè)置指令

　　數(shù)據(jù)設(shè)置指令由作為發(fā)送方的LED控制電路或LED驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出，由復(fù)位時(shí)序、地址有效確認(rèn)時(shí)序、數(shù)據(jù)時(shí)序1、處理時(shí)序1和復(fù)位時(shí)序依次組成，數(shù)據(jù)時(shí)序1中包含LED控制電路需要發(fā)送給所有地址有效的LED驅(qū)動(dòng)電路數(shù)據(jù)的信息。此時(shí)所有LED驅(qū)動(dòng)電路一直為直通模式，地址確認(rèn)有效的LED驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)指令同步將接收的數(shù)據(jù)置入數(shù)據(jù)寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)置功能，如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)設(shè)置指令通信時(shí)序示意圖

　　數(shù)據(jù)串送指令

　　數(shù)據(jù)串送指令由作為發(fā)送方的LED控制電路發(fā)出，由以下時(shí)序依次組成：復(fù)位時(shí)序、地址有效確認(rèn)時(shí)序、數(shù)據(jù)時(shí)序1、處理時(shí)序1、…、數(shù)據(jù)時(shí)序i、處理時(shí)序i、…、數(shù)據(jù)時(shí)序N2、處理時(shí)序N2、復(fù)位時(shí)序，如圖6所示。

圖6數(shù)據(jù)傳送指令通信時(shí)序示意圖

　　數(shù)據(jù)時(shí)序1、…、數(shù)據(jù)時(shí)序N2分別包含LED控制電路需要發(fā)送給各地有效的LED驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)信息，N2表示需要串送的地址個(gè)數(shù)。此時(shí)地址確認(rèn)無效的LED驅(qū)動(dòng)電路一直為直通模式;地址確認(rèn)有效的LED驅(qū)動(dòng)電路將進(jìn)行以下操作：把接收的指令時(shí)序中屬于本LED驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)時(shí)序替換為處理時(shí)序進(jìn)行發(fā)送，并將接收的相應(yīng)數(shù)據(jù)置入數(shù)據(jù)寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串送功能。

　　數(shù)據(jù)移動(dòng)指令

　　數(shù)據(jù)移動(dòng)指令由作為發(fā)送方的LED控制電路或LED驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出，由以下時(shí)序依次組成：復(fù)位時(shí)序、地址有效確認(rèn)時(shí)序、數(shù)據(jù)時(shí)序i、處理時(shí)序i、復(fù)位時(shí)

圖7數(shù)據(jù)移動(dòng)指令通信時(shí)序示意圖

　　序，如圖7所示，數(shù)據(jù)時(shí)序i中包含上一個(gè)地址有效的LED驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)信息。此時(shí)地址確認(rèn)無效的LED驅(qū)動(dòng)電路一直為直通模式;地址確認(rèn)有效的LED驅(qū)動(dòng)電路將進(jìn)行以下操作：把接收的指令時(shí)序中上一個(gè)地址確認(rèn)有效的LED驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)時(shí)序替換為本LED驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)時(shí)序進(jìn)行發(fā)送，并將接收的相應(yīng)數(shù)據(jù)置入數(shù)據(jù)寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)移動(dòng)功能。

　　數(shù)據(jù)回讀指令

　　數(shù)據(jù)回讀指令由作為發(fā)送方的LED控制電路發(fā)出，由復(fù)位時(shí)序、地址有效確認(rèn)時(shí)序和復(fù)位時(shí)序依次組成，如圖8所示。此時(shí)地址確認(rèn)無效的LED驅(qū)動(dòng)電路一直為直通模式，地址確認(rèn)有效的LED驅(qū)動(dòng)電路在接收的指令時(shí)序中增加本LED驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)時(shí)序和處理時(shí)序發(fā)送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回讀功能。

　　圖8數(shù)據(jù)回讀指令通信時(shí)序示意圖

　　錯(cuò)誤地址回讀指令

　　錯(cuò)誤地址回讀指令由作為發(fā)送方的LED控制電路發(fā)出，由復(fù)位時(shí)序、地址有效確認(rèn)時(shí)序和復(fù)位時(shí)序依次組成，如圖9所示。此時(shí)地址確認(rèn)無效的、或地址確認(rèn)有效但錯(cuò)誤寄存器值表示沒有錯(cuò)誤的LED驅(qū)動(dòng)電路一直為直通模式;地址確認(rèn)有效且錯(cuò)誤寄存器值表示有錯(cuò)誤的LED驅(qū)動(dòng)電路將接收的指令時(shí)序中增加本LED驅(qū)動(dòng)電路的地址數(shù)據(jù)時(shí)序和處理時(shí)序發(fā)送，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤地址回讀功能。接收方的錯(cuò)誤寄存器記錄LED驅(qū)動(dòng)電路對外接LED燈連接時(shí)檢測得到的錯(cuò)誤類型值，如開路、短路等。

圖9錯(cuò)誤地址回讀指令通信時(shí)序示意圖

　　3.2.3通信方法

　　基于上述的通信原理和指令模型，本文提出了如下應(yīng)用于LED顯示系統(tǒng)的單線串接通信方法：

　　LED控制電路與若干個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路串接組成LED通信系統(tǒng)，由LED控制電路實(shí)現(xiàn)對串接的LED驅(qū)動(dòng)電路的控制，并與各LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對各個(gè)LED單元燈RGB信號的控制。

　　LED控制電路與各LED驅(qū)動(dòng)電路的一次通信開始時(shí)，LED控制電路發(fā)出一條指令的復(fù)位時(shí)序，

　　將串接的各LED驅(qū)動(dòng)電路的通信模式寄存器設(shè)置為直通模式，每一次通信都以直通模式開始;進(jìn)行LED控制電路對串接的若干個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路的同步通信，各LED驅(qū)動(dòng)電路再根據(jù)同步接收到的LED控制電路或前一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出的指令及地址有效確認(rèn)結(jié)果進(jìn)行操作，選擇是否將直通模式設(shè)置為發(fā)送處理時(shí)序模式或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序模式，完成相應(yīng)的指令操作、數(shù)據(jù)送入或回讀功能。一次通信結(jié)束時(shí)，LED控制電路發(fā)出一條指令的復(fù)位時(shí)序，最終將各LED驅(qū)動(dòng)電路的通信模式寄存器恢復(fù)為直通模式。

　　4 一款單線的IC:

　　4.1  IC特性

　　•                 3通道恒流輸出

　　•                 支持單線傳輸，只需一根信號線

　　•                 可支持雙數(shù)據(jù)通道傳輸

　　•                 精確恒流驅(qū)動(dòng)控制，通道間±1.5%，芯片間±3%

　　•                 4096級灰階PWM控制

　　•                 0-30mA電流調(diào)節(jié)

　　•                 內(nèi)建LDO，可以工作在5-17V范圍

　　•                 輸出引腳耐壓可達(dá)17V

　　•                 ESD>7KV

　　4.2 功能框圖

　　4.3恒流特性

　　4.3.10-30mA可調(diào)節(jié)，可通過外掛電阻調(diào)節(jié)，Iout = (Vref/R)*2*13.8，Vref≈0.46V

　　4.3.2精確的輸出電流精度：通道之間+/-1.5%，芯片之間+/-3%

　　4.4典型應(yīng)用電路

　　4.5  設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

　　4.5.1 VDD供電電壓范圍：SOP14和SSOP10供電電壓范圍：5-17V，在CAP引腳需連接一個(gè)1uF的濾波電容，供電電壓范圍：4.5-7.5V，VDD和GND之間須有一個(gè)0.1uF的濾波電容

　　4.5.2     封裝承受最大功耗：IC承受最大功耗0.827W,在設(shè)計(jì)時(shí)候要注意加到IC上的功耗不能大于封裝所能承受的功耗

　　4.5.3 為保證信號的傳輸質(zhì)量和抗干擾能力，信號線最好用地屏蔽。

　　4.5.4 為了防止信號沖擊，信號輸入端串聯(lián)51歐姆保護(hù)電阻

　　5 結(jié)論

　　本文提出的LED顯示系統(tǒng)的單線串接通信方法和指令模型，具有通信效率高、指令豐富、控制靈活、同步效果好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地將LED顯示系統(tǒng)中的控制電路與大量LED驅(qū)動(dòng)電路通過單線串接構(gòu)成串接通信系統(tǒng)，成本較低、布線簡單、抗干擾能力強(qiáng)。該LED顯示系統(tǒng)單線串接通信方法適用于各種LED顯示系統(tǒng)，尤其是大型LED顯示系統(tǒng)。

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