第12章
LED点阵动态驱动

与数码管一样，LED点阵模块内部也是由多个LED发光单元构成的，只不过发光单元被封装成圆形或矩形的透光窗口，通常称为像素（Pixel）。LED点阵模块的像素按行列均匀排列，通常使用每列与每行的像素数量来区分，最常用的5×7（5列7行）与8×8点阵模块如图12.1所示。

当然，即使行列像素数量相同，像素本身的尺寸也可能会有差异，所以也会以像素的直径（方形像素使用边长）大小来衡量，常用的有3.00mm、3.75mm、5.0mm。大尺寸的LED点阵屏通常也是由这些小尺寸点阵模块组合而成的。例如，256×128点阵模块每行有32个8×8点阵模块，总共16行。先来看看8×8点阵模块的内部结构，如图12.2所示。

从图中可以看到，8×8点阵模块内部由64个LED组成，每一列（Column，COL）LED的阴极是连接在一起的，每一行（ROW）LED的阳极也是连接在一起的，与8位数码管的电路结构完全一样。LED点阵模块本质上并不区分共阴与共阳，因为把行或列当作位选通或段驱动都可以，但是通常以LED与第1行（不是引脚号，这里对应就是PIN9）的连接极性来约定是共阴还是共阳，所以图12.2所示LED点阵模块为共阳极。

共阴极点阵模块内部结构如图12.3所示，读者可以自行对比一下。

特别提醒一下： LED点阵模块的引脚号排列是没有规律的，可不要直接把行号或列号当成位选通或段驱动 。常用的8×8点阵模块的引脚定义如图12.4所示（字母A～H对应1～8行，数字1～8对应1～8列）。

一般LED点阵模块某一侧会有厂家的生产型号丝印，当我们正向面对丝印时，左侧第一脚为PIN1（有些厂家会直接在第一脚标记一下），然后按逆时针方向直至PIN16。至于每一个引脚的具体定义最好参考相应的数据手册，厂家可能会因为一些实际的考量（例如兼容其他点阵模块）而使得引脚定义有所不同。

Proteus软件平台中的点阵模块没有标记共阴或共阳，从器件库中调出来的时候，左上角为第1脚（有一个原点标记），上侧引脚名从左到右依次为1～8，下侧引脚名从左到右依次为A～H，相应的内部电路结构如图12.5所示（器件型号MATRIX-8X8-RED）。

有人可能会问：你怎么知道的？可别信口开河呀！其实很简单，在Proteus软件平台中单击鼠标右键调出LED点阵模块，在弹出的快捷菜单中选择“取消组合（Decompose）”项可以打散该模块，然后用鼠标双击任意一个引脚，就可以弹出该引脚信息的属性对话框，类似如图12.6所示。

至于各LED发光单元对应的引脚，只能通过加电压的方式实验了。 为了统一全书描述，对于没有标记引脚的器件均不做旋转镜像操作，以从器件库中调出来的默认方向为准，且引脚定义以第一次介绍为准。

由于LED点阵模块相当于多位数码管，所以只能使用动态扫描的方式来驱动。假设需要显示数字“5”，首先需要得到相应的字型码，如图12.7所示。

如果把行（见图12.5）作为位选通，把列作为段驱动，则从上到下的字型码依次为（左高位）0x00、0x7E、0x40、0x40、0x7E、0x02、0x02、0x7E。如果把行作为段驱动，把列作为位选通，则从左至右的字型码依次为（下高位）0xFF、0x61、0x6D、0x6D、0x6D、0x6D、0x0D、0xFF（注意字型码是反过来的，因为此时位选通为高电平有效，相当于8个共阳数码管）。由字符（可以是数字或汉字）形状得到的字型码称为字模，获取字模的过程称为取模。

下面来看看单个8×8点阵模块是被如何驱动的，相应的仿真电路如图12.8所示。

这里使用74HC138把行作为位选通（A～H），使用74HC573把列作为段驱动（1～8），由于取模方向是从左到右，所以在线路连接时应该把P1.7与LED点阵第1脚（左上脚）对应连接，相应的源代码如清单12.1所示。

读者可自行阅读源代码，它与清单7.2几乎是完全一样的，主要的区别就在于字模，此处不再赘述。

也可以使用两片74HC595级联来动态驱动LED点阵模块，这样可以节省不少控制引脚，相应的仿真电路如图12.9所示。

74HC595与单片机的连接仍然与图10.1完全一样，所以清单10.1所示源代码可以直接拿来修改，只需要使用清单12.1中的字模数组，同样来看看相应的源代码，如清单12.2所示。

这里仍然要注意点阵模块与74HC595的连接方式：我们使用U ₂ 作为段驱动，U ₃ 作为位选通（与图10.1一致）。由于取模方向是从左至右，当串行数据输入到芯片时，最低位 应该 出现在Q ₇ ，所以在移入数据时采用 低位先行 的策略。同时还要注意，我们给位选通传递的参数是“～（0x80>>i）”，而不再是清单10.1中的“～（0x01<<i）”，后者显示出来的将是上下倒过来的数字“5”（也就是数字“2”）。

MAX7219也同样可以驱动LED点阵模块，相应的Proteus软件平台仿真电路如图12.10所示。

在硬件设计上需要注意，由于MAX7219只能用来驱动共阴数管码（DIG ₀ ～DIG ₇ 最多只一个低电平），所以我们必须把段（A～DP）输出用来驱动列（1～8），而把位选通（DIG ₀ ～DIG ₇ ）用来驱动行（A～H）。同时，还要注意MAX7219输出与LED点阵模块引脚的连接顺序，这样我们就可以把之前的取模数据直接发送到芯片中。

为节省篇幅，这里不再给出对应的源代码，读者只需直接使用清单10.2将字模写入到MAX7219即可，这里使用VisualCom软件平台给出具体发送的串行数据，从中还可以观察MAX7219内部寄存器的状态，如图12.11所示。

该模组的LED点阵与MAX7219连接方式与图12.10完全等价，相应的预置数据如图12.12所示。

通过与图11.5所示的预置数据进行对比，会发现只有两点不同，其一，将所有 数据寄存器 设置为不译码模式，其二，写入 数据寄存器 的就是刚刚定义的字模，仅此而已。

如果驱动的点阵模块更多该怎么办呢？通过进一步扩展图12.8所示电路能够实现吗？可以！但是这种方案是由单片机承担动态扫描的任务，所以能够驱动的LED点阵模块的数量是有上限的，是什么因素限制的呢？主要是将一行（包括选通）数据完整移入到74HC595所花费的时间，我们来看图12.13所示时序。

当开始扫描驱动点阵模块第 N 行显示时，这一行需要持续显示一定的时间，在这段时间内，应该进行第 N +1行数据的准备工作，如果点阵的列数量越多，准备好一整行数据需要花费的移位时钟也就越多，那么第 N 行的持续显示时间也就越长，对不对？这看起来好像没什么问题，因为显示时间越长则亮度也越大，但是如果扫描行列数量一旦多了起来，完整刷新一帧所需要的时间也就越长，相应的帧率就会下降，显示效果也就会变差。

例如，在清单12.2所示write_multi_74hc595_ex函数中，每移入1位数据需要的时间约为15μs（可通过观察汇编指令估算），假设LED点阵屏的行列数均为40，我们需要10片74HC595来驱动，则移入一整行（含选通）数据所需的时间为15μs×（2×40）=1.2ms，相应的帧率只有1/（40×1.2ms）≈21fps。换句话说，想通过扩展图12.8所示电路来驱动超过40×40的LED点阵屏，刷新帧率将不会高于21fps，这很有可能无法令客户满意。虽然更换速度更快的单片机会有一定的积极意义，但是很遗憾，改善的空间仍然不会太大。

值得一提的是，当点阵屏的 列（段驱动） 数量很多，且相应的LED全部被点亮时，所有流过LED的电流都会通过对应 位选通 的驱动引脚，这极有可能会超过74HC595的输出驱动能力，所以实际进行大屏幕LED点阵显示产品的设计时，我们一般 不能 直接使用74HC595（或类似的芯片，如74HC138）直接驱动点阵模块的 位选通 ，而是通过三极管或场效应管扩流的方式间接驱动，下一章就会讲到这种应用。 gFk0INDW6KCPSSnpiyocX6rsFeNhQTrgnUphljrMmSdW7vQvH8fSQ2mAw74g1hQB