CN109785790A

CN109785790A - 应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统

Info

Publication number: CN109785790A
Application number: CN201910044727.2A
Authority: CN
Inventors: 杨文珍; 蔡群; 陈立翰; 吴新丽; 张敏雄; 赵维
Original assignee: Peking University; Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Peking University; Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: CN109785790B

Abstract

本发明公开了一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统。上位机控制平台连接电源输入电路和串口通讯电路，电源输入电路与复位电路相连，电源输入电路、串口通讯电路、复位电路、列驱动锁存电路和行驱动位移缓存电路均连接到主控制器；电源输入电路、列驱动锁存电路、行驱动位移缓存电路均与光显示装置连接；主控制器将来自上位机控制平台的数据转换为信号并分别输入至行驱动位移缓存电路和列驱动锁存电路，行驱动位移缓存电路和列驱动锁存电路控制光显示装置10的点亮以及亮度强弱。本发明电路简单、电路稳定、集成度高，能够很好地满足LED点阵控制需求，并可应用于心理感知测试实验等。

Description

应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统

技术领域

本发明涉及点阵驱动电路技术领域，具体地说是一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统。

背景技术

LED具有高效的能源利用率其电光利用率几乎达到百分之一百，高出传统白炽灯十倍左右，节能环保并且使用寿命长，控制稳定等。而心理视觉感知测试实验需要亮度稳定并且亮度可调可控同时可计算的光显示装置，所以LED组合成的点阵系统可以满足其精密的实验测试要求。结合上位机控制平台可以轻松快捷的实现LED点阵的点亮与灰度控制，拓展性能良好，可以结合电磁式盲文点显器等其余外设设备，实现一定的教育科研功能，并且还可以提供一定照明任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统。该集成电路能连接上位机控制平台的人机界面，接受上位机指令。同时通过数字信号控制驱动电路，最后通过模拟信号控制光显示装置，可以随意控制单点或多点LED的亮灭以及亮度变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括上位机控制平台、电源输入电路、串口通讯电路、复位电路、主控制器、列驱动锁存电路、行驱动位移缓存电路、光显示装置；上位机控制平台通过USB接口连接到电源输入电路和串口通讯电路，电源输入电路还与复位电路相连，电源输入电路、串口通讯电路、复位电路、列驱动锁存电路和行驱动位移缓存电路均连接到主控制器；电源输入电路、列驱动锁存电路、行驱动位移缓存电路均与光显示装置连接；主控制器将来自上位机控制平台的数据转换为信号并分别输入至行驱动位移缓存电路和列驱动锁存电路，行驱动位移缓存电路将信号输出到光显示装置的对应行，列驱动锁存电路将信号输出到光显示装置的对应列，从而控制光显示装置10的点亮以及亮度强弱。

USB接口包括USB1，USB1的GND脚接地，USB1的VCC脚经下拉钽电容C8接地；电源输入电路、串口通讯电路均连接到USB接口，所述的电源输入电路包括开关接口K1，开关接口K1的I/O1脚与USB1的VCC脚相连，开关接口K1的I/O1脚还经电容C4接地。

串口通讯电路包括转换芯片U2，转换芯片U2的D+脚和D-脚分别连接到USB1的D+脚和USB1的D-脚，转换芯片U2的VCC脚与USB接口1的VCC脚相连；转换芯片U2的XI脚与XO脚分别经电容C6、电容C7接地，电容C6C7之间并联有晶振Y2，转换芯片U2的V3脚经电容C5与GND脚相连并共同接地；复位电路的复位开关RESET1的两端分别连接到开关接口K1的TAP1脚和主控制器的复位RST引脚，复位开关RESET1与钽电容+C1并联后经电阻R1接地。

所述主控制器包括单片机U1，单片机U1的XTAL1脚与STAL2脚分别经电容C2、电容C3相连后接地，电容C2和电容C3之间并联有晶振Y1，单片机U1的GND脚接地，单片机U1的VCC脚与电源输入电路中TAP1引脚相连，单片机U1的串行输入RXD P3.0脚与转换芯片U2的TXD引脚相连；单片机U1的串行输出TXD P3.1脚与转换芯片U2的RXD引脚相连。

所述的列驱动锁存电路包括第一锁存器h1和第二锁存器h2，第一锁存器h1和第二锁存器h2的D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8引脚分别对应连接到单片机U1的P1.0(T2)脚、P1.1(T2EX)脚、P1.2脚、P1.3脚、P1.4脚、P1.5脚、P1.6脚、P1.7脚；第一锁存器h1的OE脚、LE脚分别与单片机U1的(A8)P2.0脚、P3.3(INT1)脚相连；第二锁存器h2的OE脚、LE脚分别与单片机U1的P2.1(A9)脚、INT0P3.2脚相连。

所述的行驱动移位缓存电路包括第一位移缓存器U1、第二位移缓存器U2和第三位移缓存器U3，第一位移缓存器U1的OE脚、SCLK脚、RCLK/CS脚、SDI脚分别连接到单片机U1的(A13)P2.5脚、(A10)P2.2脚、(A11)P2.3脚和(A12)P2.4脚；第二位移缓存器U2的RCLK/CS脚、SCLK脚和OE脚分别与单片机U1的(A11)P2.3脚、(A10)P2.2脚和(A14)P2.6脚相连；第二位移缓存器U2的SDI脚与第一位移缓存器U1的SDO脚相连；第三位移缓存器U3的RCLK/CS脚、SCLK脚、OE脚分别与单片机U1的A11P2.3脚、A10P2.2脚和A15P2.7脚相连；第三位移缓存器U3的SDI脚与第二位移缓存器U2的SDO脚相连。

所述光显示装置主要由124个LED组成，124个LED呈19行×12列分布，每一行LED阳极连在一起，每一列的LED阴极连在一起；19行由上到下依次为H1～H19，12列由左到右依次为L1～L12，光显示装置的H1～H8的阳极引脚分别连接在第一位移缓存器U1的QA～QH脚；光显示装置的H9～H16的阳极引脚分别连接在第二位移缓存器U2的QA～QH脚；光显示装置的H17～H19的阳极引脚分别连接在第三位移缓存器U3的QA～QC脚；光显示装置的L1～L8的阴极引脚分别连接在第一锁存器h1的Q1～Q8脚；光显示装置的L9～L12的阴极引脚分别连接在第二锁存器h2的Q1～Q4脚。

所述的上位机控制平台经USB线连接到USB接口，USB接口分别与电源输入电路和串口通讯电路相连。

所述的第一锁存器h1和第二锁存器h2的D1～D8脚相连并分别对应连接到排针P5的8个脚，单片机U1通过排针P5与列驱动锁存电路相连；第一位移缓存器U1的OE脚、SCLK脚、RCLK/CS脚、SDI脚和第二位移缓存器U2的RCLK/CS脚、SCLK脚和OE脚以及第三位移缓存器U3的RCLK/CS脚、SCLK脚、OE脚均连接到排针P3上，单片机U1通过排针P3与行驱动位移缓存电路相连接。

光显示装置的L1～L8的阴极引脚均连接到排针P1上，第一锁存器h1的Q1～Q8引脚和第二锁存器h2的Q1～Q4引脚均连接到排针P6上，光显示装置通过通过排针P1、P6连接到列驱动锁存电路；光显示装置的H1～H19的阳极引脚均连接到排针P2上，第一位移缓存器U1的QA～QH引脚、第二位移缓存器U2的QA～QH引脚和第三位移缓存器U3的QA～QC引脚均连接到排针P4上，光显示装置通过排针P2、排针P4连接到行驱动移位缓存电路。

光显示装置的点亮由行驱动位移缓存电路和列驱动锁存电路对应选通的行和列控制，光显示装置的亮度强弱由上位机控制平台通过控制行驱动位移缓存电路和列驱动锁存电路的使能引脚来调节。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1.通过USB接口与上位机连接，使用者可以根据自己的需要控制LED单点或者多点的亮灭以及亮度控制。

2.使用USB转串口实现通讯功能，结构简单、实时性能良好，同时能供给系统全部工作电压电流，使用方便。

3.采用驱动芯片性能良好，可以驱动124个LED正常工作，且亮度一致，LED工作性能稳定，长时间使用不会产生因使用而引起器件参数变化。

因此，本发明能够满足心理视觉感知测试实验所需要的实时性、稳定性、易于控制等各种要求。

附图说明

图1是本发明的基本组成示意图。

图2本发明的电源输入模块与USB接口电路连接示意图。

图3本发明的串口通讯电路电路图。

图4本发明的复位电路电路图。

图5本发明的主控制器最小系统电路图。

图6本发明的列驱动锁存电路电路图。

图7本发明的行驱动位移缓存电路电路图。

图8本发明的光显示装置电路图。

图中：1、上位机控制平台，2、USB线，3、USB接口，4、电源输入电路，5、串口通讯电路，6、复位电路，7、主控制器(AT89C51RC)，8、列驱动锁存电路，9、行驱动位移缓存电路，10、光显示装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本本发明作进一步说明。

如图1所示，上位机控制平台1通过USB接口3连接到电源输入电路4和串口通讯电路5，电源输入电路4还与复位电路6相连，电源输入电路4、串口通讯电路5、复位电路6、列驱动锁存电路8和行驱动位移缓存电路9均连接到主控制器7；电源输入电路4、列驱动锁存电路8、行驱动位移缓存电路9均通过接口与光显示装置10连接。

主控制器7的复位端通过复位电路连接电源输入电路4，另一路经过列驱动锁存电路8、行驱动位移缓存电路9与光显示装置10相连接；电源输入电路4对主控制器7、列驱动锁存电路8、行驱动位移缓存电路9供电。

具体实施中，上位机控制平台1经USB线2连接到USB接口3，USB接口3分别与电源输入电路4和串口通讯电路5相连。

如图2、图3所示，USB接口3包括USB1，USB1的GND脚接地，USB1的VCC脚经下拉钽电容C8接地；电源输入电路4、串口通讯电路5均连接到USB接口3，所述的电源输入电路4包括开关接口K1，开关接口K1的I/O1脚与USB1的VCC脚相连，开关接口K1的I/O1脚还经电容C4接地；

串口通讯电路5包括转换芯片U2，转换芯片U2的数据线正极D+脚和数据线负极D-脚分别连接到USB1的数据线正极D+脚和USB1的数据线负极D-脚，转换芯片U2的VCC脚与USB接口1的VCC脚相连；转换芯片U2的XI脚与XO脚分别经电容C6、电容C7接地，电容C6C7之间并联有晶振Y2，转换芯片U2的V3脚经电容C5与GND脚相连并共同接地；

如图4所示，复位电路6具有上电复位和手动复位两种状态，复位电路6的复位开关RESET1的两端分别连接到开关接口K1的TAP1脚和主控制器7中的单片机U1的复位RST引脚，复位开关RESET1与钽电容+C1并联后经电阻R1接地；开关接口K1的TAP1脚即图2中的电源输入电路4的VCC引脚。

如图5所示，主控制器7包括单片机U1，单片机U1的型号为AT89C51RC，单片机U1的XTAL1脚与STAL2脚分别经电容C2、电容C3相连后接地，电容C2和电容C3之间并联有晶振Y1，单片机U1的GND脚接地，单片机U1的VCC脚与电源输入电路4中TAP1引脚相连，单片机U1的串行输入RXD P3.0脚与转换芯片U2的TXD引脚相连；单片机U1的串行输出TXD P3.1脚与转换芯片U2的RXD引脚相连。

如图6所示，列驱动锁存电路8，包括第一锁存器h1和第二锁存器h2，2个锁存器的型号均为74HC573。第一锁存器h1和第二锁存器h2的数据信号D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8引脚分别对应连接到单片机U1的P1.0T2脚、P1.1T2EX脚、P1.2脚、P1.3脚、P1.4脚、P1.5脚、P1.6脚、P1.7脚；第一锁存器h1的OE脚、LE脚分别与单片机U1的A8P2.0脚、P3.3INT1脚相连；第二锁存器h2的OE脚、LE脚分别与单片机U1的P2.1A9脚、INT0P3.2脚相连；

如图7所示，行驱动移位缓存电路9包括第一位移缓存器U1、第二位移缓存器U2和第三位移缓存器U3，三个位移缓存器的型号均为74HC595；第一位移缓存器U1的OE脚、SCLK脚、RCLK/CS脚、SDI脚分别连接到单片机U1的A13P2.5脚、A10P2.2脚、A11P2.3脚和A12P2.4脚；第二位移缓存器U2的RCLK/CS脚、SCLK脚和OE脚分别与单片机U1的A11P2.3脚、A10P2.2脚和A14P2.6脚相连；第二位移缓存器U2的SDI脚与第一位移缓存器U1的SDO脚相连；第三位移缓存器U3的RCLK/CS脚、SCLK脚、OE脚分别与单片机U1的A11P2.3脚、A10P2.2脚和A15P2.7脚相连；第三位移缓存器U3的SDI脚与第二位移缓存器U2的SDO脚相连；

如图8所示，光显示装置10主要由124个LED组成，124个LED呈19行×12列分布，每一行LED阳极连在一起，每一列的LED阴极连在一起；19行由上到下依次为H1～H19，12列由左到右依次为L1～L12，H1～H3和H17～H19每行均有12个LED，H4～H16每行中的L1、L2、L11、L12分布有LED，H4～H16每行中的L3～L10未分布有LED。

采用如图8所示方式排布的124个LED，其中第1行到第3行为每行12个LED灯，第4行到第16行为每行四个LED灯，第17行到第19行为每行12个LED灯；第1列到第2列为每列19个LED灯，第3列到第10列为每列6个LED灯，第11列到第12列为每列19个LED灯；其中中间有3cmx3cm镂空没有排布LED，其目的是为了连接电磁式触点点阵或其他应用于心理感知实验的外部设备。

光显示装置10的H1～H8的阳极引脚分别连接在第一位移缓存器U1的QA～QH脚；光显示装置10的H9～H16的阳极引脚分别连接在第二位移缓存器U2的QA～QH脚；光显示装置10的H17～H19的阳极引脚分别连接在第三位移缓存器U3的QA～QC脚；光显示装置10的L1～L8的阴极引脚分别连接在第一锁存器h1的Q1～Q8脚；光显示装置10的L9～L12的阴极引脚分别连接在第二锁存器h2的Q1～Q4脚。

具体实施中，所述的第一锁存器h1和第二锁存器h2的【数据信号】D1～D8脚相连并分别对应连接到排针P5的8个脚，单片机U1通过排针P5与列驱动锁存电路8相连；第一位移缓存器U1的OE脚、SCLK脚、RCLK/CS脚、SDI脚和第二位移缓存器U2的RCLK/CS脚、SCLK脚和OE脚以及第三位移缓存器U3的RCLK/CS脚、SCLK脚、OE脚均连接到排针P3上，单片机U1通过排针P3与行驱动位移缓存电路9相连接。

具体实施中，光显示装置10的L1～L8的阴极引脚均连接到排针P1上，第一锁存器h1的Q1～Q8引脚和第二锁存器h2的Q1～Q4引脚均连接到排针P6上，光显示装置10通过通过排针P1、P6连接到列驱动锁存电路8；光显示装置10的H1～H19的阳极引脚均连接到排针P2上，第一位移缓存器U1的QA～QH引脚、第二位移缓存器U2的QA～QH引脚和第三位移缓存器U3的QA～QC引脚均连接到排针P4上，光显示装置10通过排针P2、排针P4连接到行驱动移位缓存电路9。

本发明的工作原理：

上位机控制平台1依照使用者需要发送数据到主控制器7，主控制器7识别并处理上位机命令数据，将上位机命令数据转化成I/O口电平信号，将行缓存信号串行输送到由3个位移缓存器组成的行位移缓存电路9，行位移缓存器将数据并行输出到光显示装置10的对应行，选通对应行，同时主控制器7将列锁存信号并行输送到2个锁存器组成的列锁存电路8，列锁存器将数据并行输出到光显示装置10对应的列，选通对应列，经过行列的选通控制光显示装置10中对应LED的点亮动作，同时上位机发送亮度变化指令，通过控制行位移缓存器9和列锁存器8各自的使能引脚(OE脚)完成光显示装置10中的每个LED的亮度强弱调节。

具体是：光显示装置10的点亮由行驱动位移缓存电路9和列驱动锁存电路8)对应选通的行和列控制，光显示装置10的亮度强弱由上位机控制平台1通过控制行驱动位移缓存电路9和列驱动锁存电路8的使能引脚来调节。

本发明可以根据自己的需要控制LED单点或者多点的亮灭以及亮度控制，能够满足心理视觉感知测试实验所需要的实时性、稳定性、易于控制等各种要求。本发明采用的行驱动和列驱动电路可以驱动124个LED正常工作，且亮度一致，LED工作性能稳定，长时间使用不会产生因使用而引起器件参数变化。

Claims

1.一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统，其特征在于：包括上位机控制平台(1)、电源输入电路(4)、串口通讯电路(5)、复位电路(6)、主控制器(7)、列驱动锁存电路(8)、行驱动位移缓存电路(9)、光显示装置(10)；上位机控制平台(1)通过USB接口(3)连接到电源输入电路(4)和串口通讯电路(5)，电源输入电路(4)还与复位电路(6)相连，电源输入电路(4)、串口通讯电路(5)、复位电路(6)、列驱动锁存电路(8)和行驱动位移缓存电路(9)均连接到主控制器(7)；电源输入电路(4)、列驱动锁存电路(8)、行驱动位移缓存电路(9)均与光显示装置(10)连接；

主控制器(7)将来自上位机控制平台(1)的数据转换为信号并分别输入至行驱动位移缓存电路(9)和列驱动锁存电路(8)，行驱动位移缓存电路(9)将信号输出到光显示装置(10)的对应行，列驱动锁存电路(8)将信号输出到光显示装置(10)的对应列，从而控制光显示装置10的点亮以及亮度强弱。

2.根据权利要求1所述的一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统，其特征在于：USB接口(3)包括USB1，USB1的GND脚接地，USB1的VCC脚经下拉钽电容C8接地；电源输入电路(4)、串口通讯电路(5)均连接到USB接口(3)，所述的电源输入电路(4)包括开关接口K1，开关接口K1的I/O1脚与USB1的VCC脚相连，开关接口K1的I/O1脚还经电容C4接地；

串口通讯电路(5)包括转换芯片U2，转换芯片U2的D+脚和D-脚分别连接到USB1的D+脚和USB1的D-脚，转换芯片U2的VCC脚与USB接口1的VCC脚相连；转换芯片U2的XI脚与XO脚分别经电容C6、电容C7接地，电容C6C7之间并联有晶振Y2，转换芯片U2的V3脚经电容C5与GND脚相连并共同接地；

复位电路(6)的复位开关RESET1的两端分别连接到开关接口K1的TAP1脚和主控制器(7)的复位RST引脚，复位开关RESET1与钽电容+C1并联后经电阻R1接地；

所述主控制器(7)包括单片机U1，单片机U1的XTAL1脚与STAL2脚分别经电容C2、电容C3相连后接地，电容C2和电容C3之间并联有晶振Y1，单片机U1的GND脚接地，单片机U1的VCC脚与电源输入电路(4)中TAP1引脚相连，单片机U1的串行输入RXD P3.0脚与转换芯片U2的TXD引脚相连；单片机U1的串行输出TXD P3.1脚与转换芯片U2的RXD引脚相连；

所述的列驱动锁存电路(8)包括第一锁存器h1和第二锁存器h2，第一锁存器h1和第二锁存器h2的D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8引脚分别对应连接到单片机U1的P1.0(T2)脚、P1.1(T2EX)脚、P1.2脚、P1.3脚、P1.4脚、P1.5脚、P1.6脚、P1.7脚；第一锁存器h1的OE脚、LE脚分别与单片机U1的(A8)P2.0脚、P3.3(INT1)脚相连；第二锁存器h2的OE脚、LE脚分别与单片机U1的P2.1(A9)脚、INT0 P3.2脚相连；

所述的行驱动移位缓存电路(9)包括第一位移缓存器U1、第二位移缓存器U2和第三位移缓存器U3，第一位移缓存器U1的OE脚、SCLK脚、RCLK/CS脚、SDI脚分别连接到单片机U1的(A13)P2.5脚、(A10)P2.2脚、(A11)P2.3脚和(A12)P2.4脚；第二位移缓存器U2的RCLK/CS脚、SCLK脚和OE脚分别与单片机U1的(A11)P2.3脚、(A10)P2.2脚和(A14)P2.6脚相连；第二位移缓存器U2的SDI脚与第一位移缓存器U1的SDO脚相连；第三位移缓存器U3的RCLK/CS脚、SCLK脚、OE脚分别与单片机U1的A11 P2.3脚、A10 P2.2脚和A15 P2.7脚相连；第三位移缓存器U3的SDI脚与第二位移缓存器U2的SDO脚相连；

所述光显示装置(10)主要由124个LED组成，124个LED呈19行×12列分布，每一行LED阳极连在一起，每一列的LED阴极连在一起；19行由上到下依次为H1～H19，12列由左到右依次为L1～L12，光显示装置(10)的H1～H8的阳极引脚分别连接在第一位移缓存器U1的QA～QH脚；光显示装置(10)的H9～H16的阳极引脚分别连接在第二位移缓存器U2的QA～QH脚；光显示装置(10)的H17～H19的阳极引脚分别连接在第三位移缓存器U3的QA～QC脚；光显示装置(10)的L1～L8的阴极引脚分别连接在第一锁存器h1的Q1～Q8脚；光显示装置(10)的L9～L12的阴极引脚分别连接在第二锁存器h2的Q1～Q4脚。

3.根据权利要求1所述的一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统，其特征在于：所述的上位机控制平台(1)经USB线(2)连接到USB接口(3)，USB接口(3)分别与电源输入电路(4)和串口通讯电路(5)相连。

4.根据权利要求1所述的一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统，其特征在于：所述的第一锁存器h1和第二锁存器h2的D1～D8脚相连并分别对应连接到排针P5的8个脚，单片机U1通过排针P5与列驱动锁存电路(8)相连；第一位移缓存器U1的OE脚、SCLK脚、RCLK/CS脚、SDI脚和第二位移缓存器U2的RCLK/CS脚、SCLK脚和OE脚以及第三位移缓存器U3的RCLK/CS脚、SCLK脚、OE脚均连接到排针P3上，单片机U1通过排针P3与行驱动位移缓存电路(9)相连接。

5.根据权利要求1所述的一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统，其特征在于：光显示装置(10)的L1～L8的阴极引脚均连接到排针P1上，第一锁存器h1的Q1～Q8引脚和第二锁存器h2的Q1～Q4引脚均连接到排针P6上，光显示装置(10)通过通过排针P1、P6连接到列驱动锁存电路(8)；光显示装置(10)的H1～H19的阳极引脚均连接到排针P2上，第一位移缓存器U1的QA～QH引脚、第二位移缓存器U2的QA～QH引脚和第三位移缓存器U3的QA～QC引脚均连接到排针P4上，光显示装置(10)通过排针P2、排针P4连接到行驱动移位缓存电路(9)。

6.根据权利要求1所述的一种应用于心理感知实验的点阵控制集成电路系统，其特征在于：光显示装置(10)的点亮由行驱动位移缓存电路(9)和列驱动锁存电路(8)对应选通的行和列控制，光显示装置(10)的亮度强弱由上位机控制平台(1)通过控制行驱动位移缓存电路(9)和列驱动锁存电路(8)的使能引脚来调节。