数字显示技术（简称数显技术）在数字化测量中占有重要地位。大屏幕智能显示技术则是光电子技术与计算机技术的结晶，它的应用早已超出数字显示和计算机终端显示的范围，渗透到商业广告、新闻发布、交通运输、体育比赛、文化娱乐、航天及模拟军事演习等领域，成为信息革命的重要工具。

第一节  显示器简介

    目前国内外生产的显示器种类繁多，性能各异，可分为主动发光型和被动发光型两大类。前者本身发光，后者不发光，只能反射或投射、透射光线。详细分类情况见表4-1-1。

表4-1-1  显示器分类

主 动 发 光 型	被 动 发 光 型
白炽灯显示器 投影显示器 阴极射线管（CRT）：普通CRT，偏平CRT（像元管），高分辨率CRT 辉光数码管（NRT） 荧光数码管（VFD） 发光二极管数码管（LED） LED点阵显示器：单色LED点阵显示器，彩色LED点阵显示器，全彩色LED点阵显示器 等离子体显示器（PDP） 电致发光显示器（ELD） 激光显示器 光导纤维显示器	液晶显示器（LCD）：液晶数码显示器，单色液晶点阵显示器，彩色液晶点阵显示器 磁翻板显示器 电致变色显示器（ECD） 电泳显示器（EPID） 铁电陶瓷显示器 光阀显示器：变形膜光阀，电光效应光阀，光效应光阀

       从显示方式讲，已从二维（平面）显示发展到三维（立体）显示，例如无屏幕显示（偏振光立体显示、全息显示）。显示内容也从数字显示扩展到字符显示、图形显示（含动画显示、视频显示）。显示颜色分单色（包括灰度）、变色和彩色。显示器尺寸也发展到超小型、大型和巨型。

几种常用显示器件的性能比较见表4-1-2。

表4-1-2  几种常用显示器件的性能比较

参  数	辉光管 （NRT）	荧光管 （VFD）	阴极射线管 （CRT）	像元管 （扁平CRT）	LED 数码管	LCD 显示器
工作电压／V	175	20	几千	8.5k～10k	1.7～2	4～6（交流）
工作电流／mA	2	6	0.2～10	91	30～60 （一位全亮笔段）	10μA
典型功耗／mW	350	120	几百	900	70	50
发光响应时间	150μs	1ms	0.1μs	0.1μs	＜0.1μs	50ms
最高工作频率／Hz	低	较低	高	高	几兆赫	几百赫
发光颜色	桔红、橙	绿	单色、彩色	红、绿、蓝	红、绿、橙、黄、白、蓝	本身不发光
显示亮度／（cd／m2）	较高	≥205	≥200	1500~9000	≥0.3~5（mcd ①）	不发光
工作温度／℃	－20～＋80	－20～＋80	－55～＋75	－30～＋70	－30～＋85	0～＋50
使用寿命／h	＞500	2×103	＞104	1.6×104	105	2×104
① LED一般采用法向发光强度来表示亮度，单位是mcd或μcd。

第二节  LED数字及点阵显示器

LED数码管和LED点阵显示器是目前最常用的半导体显示器件。前者可广泛用于各种数字仪表和数显装置，后者适合构成大屏幕LED智能显示屏。下面分别介绍这两种显示器件的工作原理以及字符编码方式。

一、LED数码管及字符管

发光二极管（LED）是采用半导体材料制成的能将电信号转换成光信号的结型电致发光器件。它能在低电压、小电流条件下工作，具有显示亮度高、色彩艳丽、发光响应速度快、低功耗、耐振动、寿命长等优点。LED内部有一个具有发光特性的PN结，当PN结正向导通时，依靠少数载流子的注入及随后的复合而发光。它属于电流控制型器件，其正向压降（U_F）及发光亮度均与工作电流（I_F）有关。其发光颜色则取决于管心材料。近年来问世的白色LED具有亮度高（其显示亮度远远超过白炽灯，相当于卤钨灯的亮度）、响应速度快、方向性好、体积小、耐振动、寿命长、可低压驱动、光色接近白炽灯、无汞和铅的污染等优点，现已被广泛用做手机液晶显示器的背光源，它有望成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源。

1.  LED数码管

       LED数码管的引脚排列（俯视图）及内部结构如图4-2-1所示。a~g表示7个笔段，DP

为小数点。LED数码管分普通亮度和高亮度两种。管子正常发光时段工作电流为5mA～10mA的属于普通数码管，低于2mA的为高亮度数码管，后者的发光效率高而功耗低。此外，LED数码管还有一位、双位、多位之分。多位数码管适合做动态扫描显示。上述器件均能与CMOS或TTL电路匹配。

2.  LED字符管

LED字符管属于特种数码管,在数字仪表中专用于符号显示。常见的有3种：“＋”符号管（显示正负极性）；“＋1”符号管（显示＋1或－1）；“米”字符号管（显示数字、运算符号或26个英文字母，可作单位显示）。典型产品的外形及引脚排列如图4-2-2所示。

二、LED点阵显示器

1.  LED点阵显示器

       LED点阵显示器亦称LED点阵或LED矩阵板。它是以发光二极管为像素（亦称像元），按照行与列的顺序排列起来，用集成工艺制成的显示器件。具有亮度高且均匀，高可靠性，接线简单，拼装方便等优点，被广泛用于大屏幕LED智能显示屏、智能仪器和机电一体化设备中，用先进的智能显示技术来取代数显技术。常见的有5×7（其中的5代表列数，7代表行数）、8×8点阵。表4-2-2列出几种单色、彩色LED点阵显示器的主要参数。表中所列P_M、

表4-2-2  几种单色、彩色LED点阵显示器的主要参数

型 号	规 格	像素 ／个	发光颜色		PM ／mW	IF ／mA	IFM ／mA	UF ／V	IV ／mcd	λP ／nm
			单色光	复合光
BFJ－OR	5×7	35	红	—	60	10	30	≤2.5	≥0.2	630
	8×8	64
BFJ－G	5×7	35	绿	—	60	10	30	≤2.5	≥0.3	565
	8×8	64
BFJ－OR/G	8×8	64	红	橙	60×2	10	30	≤2.5	≥0.2	630
			绿						≥0.3	565
KSM－855－I	8×8	64	红	全彩色	140	25	500	1.9	160	628
			绿		120	30	500	3.8	180	468
			蓝		220	50	500	1.9	110	550

I_FM等参数值均对一个像素而言。单色点阵中的每个像素对应于一只发光二极管。4-2-3示出P2157A型共阳极单色5×7点阵显示器的外形和内部结构，b图上的数字代表引脚序号。

彩色LED点阵显示器以三变色发光二极管作为彩色像素，可发出红、绿、橙（复合光）三种颜色，像素密度相当于单色点阵的3倍，能获得近似的彩色效果，适合构成彩色智能显示屏。典型产品有BFJ－OR/G型，其内部结构如图4-2-4所示。OR、G分别代表红（严格

讲应是橙红）、绿。在每条行线（A~H）与各条列线（OR、G）之间，分别接一只红色、绿色发光二极管。目前，由红、绿、蓝3只发光二极管构成的全彩色点阵显示器也已面世，并被应用到彩色智能显示屏中。

KSM－855－I型全彩色LED点阵显示器的内部结构如图4-2-5所示，每个彩色像素由三只绿色LED、一只红色LED和一只蓝色LED组成，三者的亮度比大约为60％∶30％∶10％。

2. 字符编码方式

利用16×16（或15×16）点阵可以显示8912个国标一、二级汉字、西文、数字和字符，用5×7点阵则能显示ASCII码字符（参见图4-2-6），二者可以兼容。下面介绍字符编码方式。

常见的汉字均可用32个字节点阵的16进制码表示。以图4-2-7a示出的“电”字为例，

把黑色方格记作“1”，空白方格记作“0”，并将第1列～第8列作为第一字节，第9列～第16列作为第二字节。只要从第1行一直计到第16行，就得到“电”字的16组编码：

    0200H     0200H     0210H     DFF8H

    4210H     4210H     DFF0H    4210H

    4210H     DFF0H    4210H     0200H

    0204H     0204H     01FCH    0000H

    若把a图全部涂黑，上述16组编码均改成F，就以全亮方式显示，由此可检查屏幕上所有LED的质量好坏。

    对于5×7点阵的字符可移至左上角(或其他位置)。若假定右边空11列，则b图所示英文字母“B”的编码为

    F000H    4800H    4800H    7000H    4800H    4800H    F000H

    利用16×16点阵，最多可同时显示4个5×7字符。

第三节  LCD数字及点阵显示器

液晶是介于固态和液态之间的晶状物质，它兼有液体的流动性和晶体的光学特性。液晶显示器（LCD）自20世纪60年代末问世以来，现已成为应用非常广泛的一种平板型显示器件。

一、液晶显示器的性能特点与工作原理

          1. 性能特点

（1）液晶显示器属于被动发光型显示器件，它本身不发光，只能反射或透射外界光线，因此环境亮度愈高，显示愈清晰。其亮暗对比度可达100:1。

（2）驱动电压低（一般为3V～6V），驱动电流小（几微安），微功耗（几微瓦至几十微瓦），能够用CMOS、TTL电路直接驱动。

（3）必须采用交流驱动方式，驱动电压波形为不含直流分量的方波或其他较复杂波形，频率约30Hz～300Hz。分静态驱动（方波驱动）、动态驱动（时分割法驱动）两种，后者是将LCD上的笔段分成若干组，再使各组笔段轮流显示。假若采用直流电压驱动，就会使液晶材料发生电解，产生气泡，寿命缩短到500小时以下，仅为正常使用寿命的1/10~1/40。

（4）体积小、重量轻，像素尺寸小，分辨率高。颜色分单色（黑白）、彩色两种。为便于夜间观察，可采用由LED或ELD器件构成的背景光源。

（5）响应速度较慢，工作频率低，工作温度范围较窄（通常为0～50℃）。温度过高液晶会发生液化，甚至气化，温度低于0℃则会发生固化，都会降低寿命。此外还应避免在强烈日光下使用而导致早期失效（液晶屏变黑）。

2. 工作原理

目前数字仪表中大多采用向列型LCD，其工作原理如图4-3-1所示。LCD由偏光板A、

镀有透明导电膜的奈塞（nesa）玻璃板B、液晶、背面的公共电极C（亦称背电极，符号为BP）、偏光板D和漫反向玻璃E组成。液晶材料被封装在B、C两板之间。偏光板A、D的作用是只允许沿板上箭头方向的偏振光通过。B上加工有字形（图中用黑竖条表示数字1），并且在字形上镀一层透明导电膜，无字处则不镀。入射光可以是太阳光之类的自然光。自然光有许多振动面，但偏光板A仅让垂直方向的偏振光透过。如果在B板的字形1与公共电极C之间加上电压，封装其内的液晶分子就会重新排列，除字形1的偏振面方向不变（图中虚线箭头所示），其他光线的偏振面都要旋转90°（图中水平方向实线箭头所示）。而偏光板D只让水平方向的光线透过，不让代表字形1的光线透过。水平光线经过漫反射玻璃E，向右边发生漫反射，因此从右边看上去是亮区。鉴于字形1的光线不能反射回去，因此从右面看到的是暗区——黑色的数字1。在液晶表面还可以加滤光片，例如，增加黄色滤光片可在黄色背景上出现黑色数字。

二、液晶点阵显示器

液晶点阵显示器是近年来迅速发展起来的新型显示器件，它是以微型液晶为像素，按照行与列的形式排列组合而成的。它具有分辨率高（像素尺寸最小可达0.28mm×0.28mm）、显示清晰、功耗低、体积小、重量轻等优点，适用于智能仪器、笔记本电脑、手机和彩色电视。目前，PC机的显示器以及彩电的显像管，正逐步被液晶点阵显示器等新型显示终端所取代。

液晶点阵分字符点阵和图形点阵两种。

第四节  数字仪器的动态扫描显示技术

所谓动态扫描显示，就是让各位数码管按照一定的顺序轮流地发光显示。与静态驱动显示相比，动态扫描显示具有以下优点：第一，能显著降低显示器的功耗，这对于采用电池供电的便携式数字仪表尤为重要；第二，能大大减少显示器的外部引线，给印制板的设计和安装带来方便；第三，能采用BCD码多路输出的方式，不仅使译码、驱动电路大为简化，还可以与微机相连；第四，只要位扫描信号频率足够高，由于人眼的“视觉暂留”现象，就观察不到闪烁现象。正是由于动态扫描显示具有上述优点，许多专用大规模集成电路（例如ICM7216D、MC14433）都采用了这种工作方式。目前，动态扫描显示技术已被广泛用于新型数字仪表、智能仪器和智能显示屏中。

实现动态扫描的方案很多，在数字仪器中大致可分成两种：第一种方案为间接控制法，即把位选通信号加至译码驱动器的消隐控制端，间接地控制LED显示器的亮灭。该方案是对静态显示的改进，只能降低显示功耗，不能简化电路，它仅适用于由通用数字集成电路构成的仪器。第二种方案是直接驱动法，它是利用位选通信号直接驱动各位LED显示器（必要时中间可加达林顿驱动器），适用于由专用大规模集成电路或单片机构成的智能仪器。究竟选哪种方案，应视具体电路而定。

    一、能消隐无效零的动态扫描显示电路

能够自动消隐无效零的动态扫描显示电路如图4-4-1所示。由CD4060与32768Hz石英

晶体构成晶振电路，从Q₇端引出的256Hz信号就作为CD4017节拍发生器的时钟脉冲。将CD4017的Y₄端与复位端R相连，产生Y₀～Y₃以4拍为一周期的拍脉冲。Y₀～Y₃的时序波形如图4-4-2所示。将上述4个拍脉冲信号分别接各位MC14513的强迫消隐端。因此，

扫到哪一位时，该位的＝1，显示器就发光。其他位则因＝0而消隐。该电路有两个特点：第一，位扫描信号并不直接驱动LED显示器，而是作用于MC14513的端，间接地控制各位显示器的亮灭；第二，利用MC14513还能实现自动消隐无效零的功能，图4-4-1中千位上的无效零已被消隐，显示值变成了278，不仅显示直观，还进一步降低了显示功耗；第三，位扫描顺序是从最低位扫到最高位，即LED₁（最低位）→LED₂→LED₃→LED₄（最高位），然后再扫到LED₁……，这样周而复始地进行下去。当然也可改成从最高位扫到最低位（将Y₀改接千位端，依次类推）。

为避免出现闪烁现象，扫描频率不能太低。鉴于人眼的临界闪烁频率（CFF）为50Hz，一般可将显示位数N乘以50Hz的结果作为扫描频率f的估算值，即f ＝50N（Hz）。对图4-4-1而言，当显示位数N＝4～6时，可从CD4060的Q₇端引出256Hz：若N＝7～10时，应从Q₆端引出512Hz时钟频率。这样由CD4017产生的扫描频率才接近于50Hz。一片CD4017最多可产生10个节拍，若显示位数超过10位，可将几片CD4017进行级联。

    二、多位LED显示组件的动态扫描显示电路

多位LED显示组件的动态扫描电路如图4-4-3所示。现采用国产5BS251型5位共阴极显示组件。该器件的7个笔段端是公用的，CAT₁～CAT₅是位驱动端，必须采用动态扫描显示。位扫描驱动电路的工作过程是首先由CD4060产生256Hz的时钟频率，再利用CD4017

输出位选通信号，最后通过MC1413驱动显示组件。计数电路由双BCD同步加法计数器CD4518级联而成。在CD4518输出端Q₁～Q₄与数据线之间，串入一片六同相三态缓冲器CD4503（现仅用其中四个缓冲器）。D₁～D₄是数据输入端，Q₁～Q₄为数据输出端，分别与CD4511的A～D端相连。DIS是三态禁止端，当DIS＝0时数据可从输入端传送到输出端，其逻辑关系式为Q_n＝D_n。当DIS＝1时输出端呈高阻态。利用这一特性，可将5片CD4503的输出端挂到数据总线上。每条数据线在任一时刻只允许一个逻辑门处于选通状态，其余逻辑门呈高阻态。

    将MCl413输出的位驱动信号～分别加至DIS₁～DIS₅端。为便于分析，假定在某一时刻Y₃＝1。经MCl413反相后得到＝0，一方面将千位数码管的公共阴极接地，另一方面信号还加DIS₄端。千位计数器上的数据就与CD4511的输入端接通，经过译码驱动使千位LED显示数值。下一时刻，＝1，＝0，万位LED就显示数值。等到万位显示完毕再回到个位上显示，如此循环往复。

第五节  LED智能显示屏

大屏幕智能显示屏是由计算机控制，将光、电、声融为一体，能显示各种信息的大型显示装置，它是高科技的结晶。近年来，大屏幕智能显示技术正受到国内外的普遍关注。

一、大屏幕智能显示屏

早期的大屏幕智能显示屏大多采用白炽灯、投影显示器、边缘发光显示器。以白炽灯为例，其亮度高、光谱宽、成本低，但功耗高、热量大、寿命低，现已不用。目前，适合制作大屏幕智能显示屏的显示器件主要有LED点阵显示器、彩色LCD点阵显示器、像元管、磁翻板、等离子体显示器等。智能显示屏的尺寸已从微型屏、小型条屏，发展到面积达几十平米甚至上千平米的巨型屏。显示颜色也从单色屏发展到像素亮度可以控制、富有层次感的灰度屏，从三色屏发展到全彩色屏。使用环境由室内屏发展到全天候的户外屏。显示特点也从简单的图文屏，发展成动画屏、视频屏。可满足不同用户、不同场合的需要。

该领域具有代表性的成果是1985年在日本筑波举办的万国科学博览会上，索尼公司首先推出一种超大屏幕彩色显示屏。它采用红、绿、蓝三色电子枪（即彩色复合像元管）做显示单元，屏幕尺寸达40×25m²，整体建筑为48×42×2.4m³，由15万个彩色像素组成，最高亮度达5139cd/m ²，总功耗为800kW，人们在500米距离上能观察到高清晰度的视频画面。它使用先进的数字视频和光导纤维传输技术，并由计算机控制，把光、电、声融为一体，充分体现了高科技的成果。

改革开放以来，我国在大屏幕智能显示领域取得了丰硕成果。早在20世纪90年代初，我国已掌握了16级灰度256色视频控制及无线遥控等先进技术，近年来在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群控技术等方面已达到了国际先进水平。

在设计智能显示屏时，至少应考虑下述五条原则：第一，具有较高的性价比，显示功能强，效果佳。可靠性高，成本尽量低，便于推广应用；第二，在户外使用的大型显示屏应按全天候环境条件进行设计，不仅要有足够的亮度，还需增加防雨、防潮、防灰尘、防蚊虫等措施；第三，对于自身发热的显示屏，必须考虑通风散热问题；第四，功耗尽量低，电源效率要高；第五，采用模块式结构，以便于安装及维修。

二、扫描方式与显示方式的设计

1. 扫描方式

对于LED智能显示屏，应采用动态扫描方式驱动LED点阵显示器。LED的发光响应极快，几乎没有余辉时间。其视觉亮度不仅取决于光点的发光强度，还与亮暗占空比D有关。为了不引起视觉疲劳，扫描频率要足够高。在1秒钟内每个光点至少应被扫描50次。为保证足够的亮度，要求D＞1%。为提高LED的电／光转换效率，脉冲驱动电流不宜过大。

对LED点阵显示器进行扫描时，可选择逐行扫描或逐列扫描方式。仅在扫两位之内的5×7点阵时，才可选用逐点扫描方式。

2. 显示方式

表4-5列出基本显示方式的构成情况。这里设计成清屏方式与显示方式各16种。二者可任意组合，总共可获得16²＝256种显示方式。以表4-5-1为例，首先按下“清屏方式”键，再按下数字键3，然后依次按下“显示方式”键和数字键4。该显示过程就是，首先从上至下进行扫描，清除屏幕上原有内容，然后从左向右逐字显示本次内容。每个循环可包含多种清屏与显示方式。亦可自定义键盘功能。

表 4-5  基本显示方式的构成

清  屏  指  令		显  示  指  令
键位	清屏方式	键位	显示方式
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F	一次整幅清屏 镂空清屏 从下至上扫描清屏 从上至下扫描清屏 从右向左逐字清屏 闪烁清屏 从左上至右下扫描清屏 落帘清屏 卷帘清屏 合帘清屏 分帘清屏 左移清屏 右移清屏 左右分移清屏 左右向中间移动清屏 从右下至左上扫描清屏	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F	一次满幅显示（全亮） 从右向左逐字显示 从右向左扫描显示 从右向左跳字显示 从左向右逐字显示 闪烁显示 整幅从上至下显示 整幅从下至上显示 从中间向上、下显示 合帘显示 左移显示 右移显示 从中间向左、右显示 从左、右向中间显示 左落帘、右卷帘显示 右落帘、左卷帘显示

三、灰度屏、彩色屏及多媒体彩色屏

1. 灰度屏

具有亮度等级的单色LED显示屏称作灰度屏，与黑白显示屏相比，其画面因富有层次感而更显得逼真。采用脉冲叠加法控制像素的亮暗占空比，可实现不同的亮度等级。以形成256级灰度为例，需将场频提高到256倍，每256场扫完一整屏。对屏幕上某一点而言，若256次扫描全为亮，则是最高亮度等级；反之，256次扫描均为灭，则为最低亮度等级。依次类推，可形成256级灰度。显然，灰度屏的扫描内存也应扩大到黑白显示屏的256倍。

2. 彩色屏

彩色屏是在三色屏的基础上发展起来的。三色屏较为简单，不需要灰度等级。通常采用红、绿变色发光二极管作像素。内存分红、绿两个区域，分别存放红色、绿色图形点阵信息；同时把场频提高一倍，两场中一场扫红屏，另一场扫绿屏，两场都亮的点即发出橙光。彩色屏尚需增加灰度等级。例如欲形成64种色彩，就要求红色、绿色各具有8级灰度，二者搭配后能形成8×8＝64种颜色。红色、绿色点阵区各分成8个小区，同时将场频提高到三色屏的16倍。近年来随着蓝色发光二极管的问世，以红、绿、蓝三种发光二极管为基本像素的LED点阵在国内已开始应用，由它构成的全彩色屏能逼真地显示出自然界中的各种颜色。

3. 多媒体彩色LED智能显示屏

多媒体彩色LED智能显示屏的硬件电路采用CPLD超大规模可编程器件，彻底解决了过去因使用大量的分立元件和中、小规模集成电路而造成系统可靠性差的技术难题，从而大大提高了系统的可维护性。此外，它还采用RS－422总线，实现了显示数据的远距离传输；采用显示器直映射技术，由硬件来实现显示屏与计算机显示器各像素之间的对应关系。可实现信息播放、动画显示、视频播放等功能；选用红、绿双基色LED点阵，可提供256级灰度、65536种色彩。

系统软件具有以下功能：能显示在计算机屏幕上出现的所有文字图形，并可任意设置播放程序及播放时间，还可定时播放；能满足广告需求，播放二维，三维（FLI，FLC）动画，能以各种形式播放文字信息；能进行视频显示并能显示时间，日期等内容。所用软件主要包括3种类型：①文字，图片制作软件，如：Windows画笔，Photoshop；②动画制作软件，如Autodesk Animator Pro软件，可制作各种二维，三维动画；③LED显示软件LEDShow3.0，它能对各种静态和动态信息源进行检索和调用，按照用户要求对版面和格式进行编辑，并按用户要求来设定播出顺序及时间。

       通常可按下述六个步骤来制作一个播放文件：①新建一个播放文件（相当于开始拍摄一部电影）；②设计每个数据页（拍摄每个镜头）；③对于每个数据页，设计数据页上的区域（对每个镜头进行效果处理）；④由一组数据页组成一个数据段（由一组镜头组成一段电影）；⑤由一组数据段，组成一个任务（由一组电影脚本剪接成一部电影）；⑥将制作好的播放文件存盘保存（发行电影拷贝）。播放时，只需打开播放文件，执行即可。

第六节  大屏幕LED智能显示屏的设计

ZX－1型大屏幕LED智能显示系统，采用高亮度LED点阵显示器，既可由单片机控制，屏幕自成独立系统；又能与微型计算机进行远程通信，一台PC机可同时控制128个条屏分别显示出不同内容。每个条屏可显示10个15×16点阵的国标汉字或者40个5×7点阵的字符，字库容量为8192个国标汉字及英、俄、日文、运算符号等。每次可显示任意组合编辑的1280个汉字，亦可显示图形。显示设定包含清屏方式、出屏方式、显示方式各16种，外加镂空、闪烁、正常显示3种，共可组合成12288种。日历时钟显示为年、月、日、星期、时、分、秒，可作为文件任意插入。该显示系统具有亮度高、功能强、操作简便、耗电少、经济耐用等优点。

一、主机电路设计

主机电路框图如图4-6-1所示，采用MCS－51单片机、双CPU共享RAM的设计方案。主机电路主要包括主控制电路（CPU₁、汉卡等）、共享RAM、显示控制电路（CPU₂）、列驱动及显示电路、开关电源。采用双CPU结构的优点是能大大减轻主CPU的负担，合理地分配RAM资源，并且提高显示电路的扫描速率。

图4-6-1  主机电路框图

1. 主控电路

主控制器简称主CPU，采用8031单片机，记作CPU₁。其主要功能如下：

（1）接收由串行通信接口发来的工作数据和指令，并对指令进行操作，发出应答信号以验证数据的正确性。串行通信接口由MC1488和MC1489组成，具有串入（RXD）、串出（TXD）和电平转换功能，传输速率为9600bit/s。

（2）CPU₁通过I/O接口电路从国标汉字点阵芯片GB5199B中读取汉字点阵信息，存入动态存储器62256中。利用可编程并行接口芯片8155内部的14位计数器，还可对振荡脉冲进行计数，定时产生中断，使CPU₁时刻监视自身的工作。为提高系统的可靠性，现利用软件和硬件组成两级“看门狗”（watch-dog）。由CD4060构成的看门狗电路如图4-6-2所示。

CD4060为14位二进制串行计数／分频／振荡器。正常情况下8031每隔一段时间t₁，就将CD4060复位一次。一旦由于某种原因导致CPU₁失控，CD4060因不能及时被复位，就经过t₂时间（t₂＞t₁）从Q₁₄端输出高电平，一方面将8031复位，把 CPU₁“拉回”到正常运行状态；另一方面还将CD4060复位，使Q₁₄变成低电平。R₃与C₂是微分电路。显见，看门狗具有监视器与执行器的作用，是提高智能显示屏可靠性的重要措施之一。

（3）CPU₁还与显示控制器CPU₂共享一片RAM（6264）。二者分时轮流对RAM进行操作。例如，当CPU₁经过联络线L_l通知CPU₂时，CPU₂就放弃对共享RAM的操作并通过联络线L₂回答CPU₁，改由CPU₁操作RAM。CPU₂亦称做辅CPU。共享RAM电路如图4-6-3所示。两套地址切换电路用于分配共享RAM的使用权。若采用一片双端口RAM，还可进一步简化共享RAM的电路。

图4-6-3  共享RAM电路

（4）设置本显示屏的机号，机址设置范围是00H～7FH，对应于0～127，0号作为公用屏用于多屏群呼，因此总线上最多再接127个显示屏。

（5）对图形进行数据处理，控制图形显示方式。扫描工作则由CPU₂完成。

2. 显示控制电路

采用逐行扫描、逐列驱动方式。显示控制电路主要完成扫描显示工作，电路如图4-6-4

图4-6-4  显示控制电路

所示。当CPU₂对内部总线进行控制时，就从共享RAM中取出显示数据，经串行口送至74LS164转换成并行数据（即显示内容），再通过MC1413输出列驱动信号。行扫描数据则从P₁口输出，经CD4514译码后产生16路行输出信号，再经过达林顿功率管BD682驱动LED点阵显示器的行选通端。

3. 小键盘控制电路

小键盘的面板布置如图4-6-5所示，采用4×4键柔性薄膜开关。每个键被“／”分成上、下两部分，上半部为基本功能，下半部为换挡功能。shift为换挡键。小键盘控制电路如图4-6-6

图4-6-5  面板布置图

图4-6-6  小键盘控制电路

所示。主要包括键盘、7位LED显示器、CPU₃（8031）、EPROM（2816）、接口电路、段码锁存器（74LS374）。由小键盘输入的信息可经CPU₃存入2816中，供随时调用或进行修改、组合。接口电路以串行通信方式与显示屏联系，使之运行显示命令和内容。小键盘可代替PC机操作。蜂鸣器用作操作提示。

二、主机程序及计算机控制程序的设计

1. 主机程序设计

刚开机时首先进行初始化，将串行口、定时器、中断方式、优先级等均置于初始状态，管理共享RAM总线使显示屏消隐。然后初始化显示缓冲区的显示内容并释放总线，令显示控制系统正常显示，经过5秒后显示标准时间。若有显示命令，则逐条取出并加以分析，确定各子程序的入口参数，依次完成出屏、显示和清屏工作。为便于与PC机联网，选择标准RS－232接口按照8位查询方式来工作。

2. 国标码与汉字点阵信息的换算

汉卡中采用一片国标汉字点阵芯片GB5199B。其汉字点阵信息虽与国标码有密切联系，但在区位码顺序上略有区别，必须进行换算。国标区位码规定每区有94个字符信息，要换算成GB5199B的内码，换算公式为

区码－16（区码＞16时）

区码＋87（区码≤16时）

在换成字库中字的位置时有关系式

（内区码－1）×94＋位码＝字位

再换算成字库中的字节起始位。因每个字有32个字节的点阵信息，故起始单元＝字位×32。

3. 计算机控制部分的设计

利用一台PC机可控制多达128个显示屏，每屏又可自成系统并由小键盘来控制。PC机对显示子程序起到管理和传输数据的作用。整个管理系统采用人机对话式多级菜单结构。输入汉字或字符可在汉字系统下以区位码、首尾码、拼音、五笔字形等方式下进行输入。数据传输迅速、可靠，既可存储固定的显示内容，又可临时输入所要显示的内容，进行现场编辑。

第七节  由像元管或磁翻板构成的大屏幕智能显示屏

下面分别介绍由像元管、磁翻板构成的大屏幕智能显示屏。

一、像元管智能显示屏

1. 像元管的构造原理

像元管亦称像素管。它是一种新型电真空显示器件（泛射束式扁平CRT），具有亮度高（其亮度是彩色电视机平均亮度的7.5倍～45倍）、视角宽、色彩鲜艳、能全天候使用等优点，可作为户外大屏幕智能显示屏的像素。像元管又分单色像元管、彩色复合像元管两种。图4-7-1a是日本生产的TL－8型彩色复合像元管的外形。TL－8属于扁平CRT，外形尺寸为86

图4-7-1  像元管的外形

a）TL－8型彩色复合像元管  b）SY－1型单色像元管  c）SY－1的引脚排列

×41×25（mm），内部包含8个彩色像素。每个彩色像素又分成红（R）、绿（G）、蓝（B）三个条状发光区域。一个发光区域的面积为10×3mm²。管内有三支电子枪，装有4个电极：阴极K、控制栅极G₁、屏蔽栅极G₂、阳极A。直热式氧化物阴极发出的电子束通过G₁、G₂电极和屏蔽分隔板后，在阳极电压的作用下高速轰击相应区域的荧光粉使之发光。TL－8的主要参数为：U_f＝2.7V，I_f＝125mA，U_a＝8kV，I_a＝500μA，U _G1＝5V，I _G1＝300μA，U _G2＝0V。绿、红、蓝色的亮度之比为60∶30∶10。为了提高亮度和对比度，屏幕上面还镀有一层铝膜，形成反射镜面。构成显示屏时需在阴极上加选通（选址）信号，以确定哪些像元管可以发光，在控制栅极上则加经过脉宽调制的电视信号，通过改变脉冲宽度来调节亮度。

b、c图分别示出国产SY－1型单色像元管的外形及引脚排列。它采用三极（K、G、A）电子枪结构，属于泛射束式CRT。屏幕呈球面，上装有滤色玻璃，有效发光直径为22mm。根据发光颜色又分红、绿、蓝三种规格，供用户选择。表4-8列出SY－l、SY－2的主要参数。绿、红、蓝三种像元管的亮度比约为60%G∶30%R∶10%B。由3只单色像元管即可构成一个彩色像素。表中的寿命是指连续工作后亮度降到70%所需要的时间。考虑到采用脉冲

表4-8  两种像元管的主要参数

型号	灯丝 电压 Uf /V	灯丝 电流 If /mA	阳极 电压 Ua /kV	截止 电压 Uk /V	管径 D /mm	有效发光面直径 d /mm	亮度／（cd／m）			寿命 / h	质量 / g
							绿 G	红 R	蓝 B
SY－1	11±1	91	8.5	－17～－25	28	22	8000	4200	1700	2000	50
SY－2	11±1	91	10	－20～－28	35	27	9000	3900	2400	2000	65

驱动而且同一像素发光的几率仅为25%，实际使用寿命可达1.6×10⁴h。像元管的显示功耗小于9W。

2. 由像元管构成的大屏幕彩色智能显示屏

由SY－1型单色像元管构成的大屏幕彩色智能显示系统如图4-7-2所示。主要包括8部分：①输入设备（电视机、录像机、摄像机等；）②彩色解码器；③A/D转换器；④帧存储器；⑤计算机系统（包括数据选择器与控制器）；⑥电／光、光／电转换器；⑦彩色显示屏；⑧电源。此外，还有同步分离器、信号分离器、电视伴音及立体声广播系统、文字编辑、画面编辑输入装置等。

图4-7-2  大屏幕彩色智能显示系统

二、磁翻板智能显示屏

磁翻板智能显示屏的成本较低，在阳光下色彩鲜艳，驱动方式简单，断电后能自动保持画面，还可制成四色、六色彩屏，适于户外显示。其缺点是本身不发光，只能反射外界光线，夜间需要用灯光照射，工作频率低，不能作视频屏。

磁翻板是利用电磁感应的原理而制成的，通过翻转每个板子（像素）的颜色来改变显示内容。磁翻板单元的构造如图4-7-3所示。主要包括磁棒线圈、软铁片、翻板、转动轴和塑

图4-7-3  磁翻板单元的构造

a）内部构造示意图  b）外形

料外壳。在翻板内部有压制成型的永磁片，翻板的两个表面呈不同颜色，例如一面涂红色，另一面为黑色。黑色一般作为屏幕的背景（底色）。两个磁棒线圈与软铁片构成U型磁体。当该显示单元被选中时，脉冲驱动电流i就通过线圈，在磁体上部产生磁场，与永磁片相互作用，形成转动力矩。a图中若令i沿着箭头方向流过，安装在偏心轴上的磁翻板就翻转180度，即改变一次颜色。由于磁棒上有一定的剩磁，脉冲电流过后仍能吸住翻板。将画面或字符保存下来。为减化结构，也有的磁翻板用磁棒来代替U型磁体，并将翻转角度改成90度（从垂直方向转到水平方向），壳体内部呈黑色，显示效果同上。显然，只要改变脉冲驱动电流的方向，就能使磁翻板置位（显示）或复位（不显示）。由于磁翻板仅在几毫秒的翻转过程中才消耗电流，所以尽管脉冲驱动电流峰值可达几百毫安，但每个显示单元的功耗只有几毫瓦。磁翻板很容易拼装成受微机控制的大型显示屏。对于高速磁翻板，还能实现动画显示。

由磁翻板构成的大型屏幕智能显示屏主要包括中央控制器板（CPU）、图形存储器板、数据存储器板、监控板、并行接口板、光耦合器板、E²PROM写入器、CRT显示器、开关电源和键盘。欲显示的图形数据预先按地址排列后写入E²PROM中，放在图形存储器板上。输入显示命令后，CPU首先把图形数据输入到数据存储器中进行处理，然后由并行接口板把图形数据输出，再经过光耦合器板隔离后送至驱动电路。与此同时还产生节拍信号、置位、复位控制信号。驱动电路可由晶体管和晶闸管组成。显示命令和显示内容亦可从键盘输入。