基于AVR單片機的LED顯示屏的灰度設計與實現(xiàn)
1 AVR單片機簡介
AVR單片機是增強型內置FLASH的RISC(ReducedInstruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機，硬件采用哈佛(Harward)結構，達到一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令。支持在系統(tǒng)編程ISP，其中MEGA系列還支持在應用編程IAP。內置的FLASH程序存儲器可擦寫1 000次以上，給用戶的開發(fā)生產(chǎn)和維護帶來方便?？刹翆?0萬次的E2PROM，為掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來方便。AVR單片機有豐富的片內資源，如RTC，WATCHDOG，AD轉換器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，I／O口功能強、驅動能力強。
2 系統(tǒng)整體設計方案
LED顯示系統(tǒng)主要由3部分構成：PC上位機圖像文字轉換與數(shù)據(jù)發(fā)送單元、主控單元以及顯示子模塊。
上位機完成把圖像和文字轉換成為顯示屏的顯示碼，并且把顯示信息發(fā)送到主控單元上。主控單元選用具有32 kB片內FLASH ROM和2 kB片內RAM的AT-mega32單片機，沒有外掛存儲器。如果要存儲更多的顯示信息，可以選用具有64 kB片內FLASH ROM的AT-mega64或者具有128 kB片內FLASH ROM的AT-megal28，也可以外掛存儲器來增大存儲能力。主控單元主要完成對顯示數(shù)據(jù)的滾動和分割處理，然后通過異步串行口發(fā)送到每個子模塊中。每個顯示子模塊用4片8×8單色點陣塊拼成1個16×16的點陣屏，用一片ATmega8完成掃描動態(tài)顯示。
主控單元與顯示子模塊的數(shù)據(jù)通信采用標準的異步串口格式，每幀數(shù)據(jù)包括1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個地址／數(shù)據(jù)標示位，1個停止位共11位。數(shù)據(jù)傳輸碼率為625 kb／s，字節(jié)傳輸速率為56.8 kB／s。每個子模塊由256個LED構成，實現(xiàn)16階灰度每個LED需要4 b空間，因此每個顯示子模塊全屏數(shù)據(jù)量為128 B，外加1 B的尋址字節(jié)共129 B。主控單元更新顯示子模塊的顯示內容時，對所有子模塊按地址逐個發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，更新完所有子模塊數(shù)據(jù)后，再發(fā)送一個特殊的地址字0xFF作為控制字，使所有子模塊同時更新顯示數(shù)據(jù)，這樣可以避免當屏幕較大，顯示子模塊數(shù)量較多時各子模塊畫面更新不同步的問題。對本設計中完成的6×4個顯示子模塊而言，由于通訊速率限制，畫面更新速度最高可達56 800／(129×24+1)=18.34幀／s，由于主控單元還要完成全屏數(shù)據(jù)的分割和顯示內容的移動控制，所以其實際幀數(shù)低于上述值，不過用于普通的圖片顯示已經(jīng)可以達到要求。
現(xiàn)場應用中，可以不需要PC上位機，只需把要顯示的信息存儲在主控單元，即可通過主控單元中的按鍵來選擇顯示的內容及方式，可循環(huán)顯示，文字信息還可以上下左右滾屏顯示。
3 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)由兩部分硬件電路組成：主機板電路和子模塊顯示驅動電路。
3.1 主機板電路
主機板電路十分簡潔，由ATmega32組成的最小系統(tǒng)和RS 232，RS 485接口電路組成。
主機板上的數(shù)據(jù)由異步串行口發(fā)送到各個子模塊中，為了在提高傳輸速度和距離的情況下仍能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鳈C板上發(fā)出的信息轉換成為RS 485信號，采用帶屏蔽層的同軸電纜傳輸?shù)絃ED子模塊上。轉換所用接口芯片為MAX485，該芯片工作于5 V電壓下，最高傳輸速度可達到2.5 Mb／s，傳輸距離可達l 200 m。采用帶屏蔽層的同軸電纜可以降低傳輸過程中產(chǎn)生的信號干擾。
在需要從PC上位機下載數(shù)據(jù)到FLASH ROM時，通過MAX232芯片實現(xiàn)ATmega32和PC機的通信。
3.2 子模塊顯示驅動電路
子模塊顯示驅動電路由RS 485轉換電路、子模塊地址標識電路和點陣驅動電路組成。RS 485轉換電路和主機板中一樣，同樣采用MAX485作電平轉換。
由于采用單片機的異步串行口進行多機通信進行數(shù)據(jù)傳輸，每個子模塊應該有和其位置相對應的地址標識。地址標識電路采用8位并進串出芯片74HCl65和8位撥碼開關組成，因此本系統(tǒng)最多可以容納255個子模塊(地址OxFF作為更新子模塊顯示的控制字)。如果簡單地通過軟件內部的設定來決定各個子模塊的地址，每個AT-mega8所對應的程序會有差別，這樣會給程序的燒寫帶來不便，因此采用外部硬件電路對子模塊的地址進行標識。采用74HC165作串并行轉換是為了節(jié)省單片機的引腳資源。
LED點陣采用動態(tài)掃描法進行驅動，并且實現(xiàn)16階灰度顯示，為了節(jié)省單片機程序中掃描程序的時間消耗，提高掃描速度，顯示數(shù)據(jù)采用并行輸出的方法。驅動電路采用4-16譯碼器74HC154譯碼后驅動16個中功率三極管8550作為行選，2個8位數(shù)據(jù)鎖存器74LS373作為行數(shù)據(jù)鎖存。
4 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計包括上位機軟件的設計、主機板AT-mega32程序設計、顯示子模塊ATmega8程序設計3部分。
上位機軟件完成圖像和文字的編輯，通過計算機串行接口把顯示數(shù)據(jù)傳送到主機板上。主機板接收上位機的數(shù)據(jù)并通過內部Boot Loader區(qū)的程序進行FLASH ROM內顯示數(shù)據(jù)的自更新。主機板把顯示數(shù)據(jù)進行分割處理后發(fā)送給每個子模塊，并且完成顯示數(shù)據(jù)的上下、左右滾屏處理。子模塊通過軟件調制脈沖占空比的方法，實現(xiàn)16階灰度圖像顯示。
4.1 上位機軟件設計
上位機軟件使用VB開發(fā)，主要完成圖像的取點、線性補償和點陣數(shù)據(jù)生成。首先將圖像文件轉換為96×64分辨率、256階色深的單色灰度圖像，由于使用占空比驅動的LED其占空比／亮度為對數(shù)特性，所以需加入指數(shù)特性調整為線性之后才能交付顯示系統(tǒng)進行顯示。其計算公式為Dout=15×(Din／255)n。n為比例系數(shù)，經(jīng)實際顯示校對后確定為1.35，同時通過該公式完成從256階灰度到16階灰度的轉換。通過MSComm控件實現(xiàn)PC機與主機板的通信。
4.2 主機板ATmega32程序設計
主機部分軟件主要分為按鍵響應處理，顯示數(shù)據(jù)分割和分割后的數(shù)據(jù)發(fā)送3部分。其中顯示數(shù)據(jù)的分割占最主要的地位，同時顯示內容的滾屏移動也包括在這部分中。按鍵響應使用外中斷響應，配合定時器TO進行去抖處理后置位按鍵有效標志，在主程序中檢查該按鍵有效標志并進行響應處理。
4.3 顯示子模塊程序設計
顯示子模塊的軟件分為數(shù)據(jù)接收和動態(tài)刷新顯示2部分。由于子模塊要實現(xiàn)16階灰度的表現(xiàn)，而且還需要實現(xiàn)足夠高的刷新速率以避免產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，所以對刷新顯示部分的速度要求較高。本設計采用的方案為：全屏(每個子模塊為16行×16點／行)刷新分為16份時間片，每份時間片實現(xiàn)一行的掃描。而每行的時間片又分為15個子時間片，其中灰度為最暗的點點亮0個子時間片，灰度為最亮的點點亮15個時間片，由此實現(xiàn)占空比為0／15～15／15共16個級別的平均電流控制，從而實現(xiàn)16階的灰度顯示。通過：MEGA8片內定時器T2，每個子時間片取得52μs的掃描時間，15個子時間片構成一個單行掃描的時間片(52 μs×15=780μs)，16個單行掃描時間片又構成一次全屏的掃描(780 μs×16=12.48 ms)，則刷新頻率約為80 Hz，在最高亮度下也可以保證不出現(xiàn)行閃的現(xiàn)象。
5 結 語
本文提出的基于AVR單片機的LED顯示屏已應用于現(xiàn)場，AVR單片機的看門狗功能使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。由于本設計是主從式的解決方案，具有可擴展性，并且采用ISP功能給電路板的調試和系統(tǒng)的維護帶來了很大的方便。實踐證明，本系統(tǒng)可以方便地顯示各種字體的文字信息及16階灰度的圖像，畫面清晰、性能穩(wěn)定、操作簡便，具有很好的應用價值。
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