串行FLASH存儲器在小型LED顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)分析

LED顯示屏由于其具有耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠等特點，已經(jīng)成為新一代的信息傳播媒體工具。LED與LCD相比較最突出的特點是亮度高、成本低且屏幕尺寸可根據(jù)現(xiàn)場情況用標準LED單元板拼制。按安裝位置可分為：室外、半室外和室內(nèi)；按顏色可分為：單色、雙基色和彩色；按發(fā)光二極管點距可分為：φ5.0，φ3.75及φ3.0等。本文以市場上常見的室內(nèi)雙色LED單元板為控制對象，說明基于STC單片機的LED顯示屏控制系統(tǒng)工作原理以及數(shù)據(jù)組織方法。

1 標準雙色LED單元板的硬件組成及工作原理

　　市場上常見的室內(nèi)雙色LED單元板電路框圖如圖1(a)所示。其中行掃描電路由2片74HC138(3-8譯碼器)構(gòu)成的4-16譯碼器加上多個4953(MOS管)組成的，掃描方式為：1/16。上下半屏分別由2組用74HC595串行移位寄存器實現(xiàn)紅色、綠色顯示數(shù)據(jù)的列輸入，在圖1(a)所示的64×32標準LED單元板中每組串行移位寄存器中有8個74HC595級聯(lián)，4組共用了32個74HC595。74HC595內(nèi)部電路框圖如圖1(c)所示。所有4組74HC595的控制信號RCK，SCK，EN全部接在一起，74HC595的控制信號和4組串行移位寄存器的輸入以及行掃描控制信號A，B，C，D構(gòu)成整個LED單元板的輸入。74HC595的控制信號經(jīng)驅(qū)動后和4組串行移位寄存器的輸出以及行經(jīng)過驅(qū)動的掃描控制信號A，B，C，D構(gòu)成整個LED單元板的輸出，用于級聯(lián)下一個LED單元板的輸入。雙色LED單元板等效電路框圖如圖1(b)所示。

 

2 LED顯示控制系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

 

　　LED顯示控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。從表面上看是一個普通的單片機簡單應(yīng)用，實際上在設(shè)計此系統(tǒng)時已經(jīng)考慮了很多硬件、軟件及硬軟件配合的因素。首先在使用51單片機的前提下，用其串行口方式0似乎可以利用單片機發(fā)出的移位脈沖將8位數(shù)據(jù)送入74HC595中，但要實現(xiàn)圖2中8位數(shù)據(jù)的同時輸入必須加入其他的輔助芯片，而且在減小數(shù)據(jù)傳輸時間上沒有什么好處。其次，采用FPGA，CPLD等可編程芯片設(shè)計成專用硬件電路與單片機接口可大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，但成本也將同步大幅度提高?/span>

　　STC12C5410為IT高速低功耗單片機，其運行速度為一般標準51系列單片機的8～12倍，并具有標準的SPI和RS 232串行口。本文所述的LED顯示控制系統(tǒng)以其為核心控制芯片。圖2為雙色LED顯示屏控制系統(tǒng)電路原理圖，在圖2所示的LED控制系統(tǒng)中，SST25VF016B為16 Mb，具有SPI接口的8PIN串行FLASH存儲器，由于SST25VF016B工作電壓為3 V，故使用U3，U4兩片74LVC245完成5 V到3 V和3 V到5 V的電平轉(zhuǎn)換。SST25VF016B的SPI接口最大工作頻率為50 MHz，而STC12C5410 SPI接口最大工作頻率為晶振的1/4，故不存在速度上不匹配的問題。行掃描信號A，B，C，D由P1.0～P1.3控制。圖1(a)中74HC595的控制信號RCK，EN及SCK由P3.3～P3.5提供。顯示數(shù)據(jù)從P2口輸出。

3 LED顯示控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織及軟件優(yōu)化

　　LED顯示控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織如圖3所示。從圖2可以得到如圖3(a)所示的從正面看過去顯示行與顯示數(shù)據(jù)位以及顏色的對應(yīng)關(guān)系。圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)決定了每一行的數(shù)據(jù)可連續(xù)排列，同時為了提高數(shù)據(jù)的讀取速度，將所有顯示數(shù)據(jù)均按掃描行、掃描列進行連續(xù)排列，可得到如圖3(b)表明的存儲單元與掃描行、存儲單元數(shù)據(jù)位及顏色的關(guān)系。

　　具體編程時可按下列步驟進行：

　　(1)將準備掃描的行地址送P1口的低4位中。

　　(2)初始化SST25VF016B將讀地址指針指向待顯示行相應(yīng)存儲單元的首地址。

　　(3)啟動SPI以順序讀方式連續(xù)讀顯示數(shù)據(jù)，并將顯示數(shù)據(jù)送P2口。

　　(4)每讀一個數(shù)據(jù)通過P3.5產(chǎn)生一個SCK脈沖(SST25VF016B在順序讀方式下地址自動加1)，將P2口上的顯示數(shù)據(jù)移入74HC595串行移位寄存器。

(5)重復(fù)(2)，(3)，(4)直到一行數(shù)據(jù)顯示完畢，通過P3.3產(chǎn)生RCK將通過移位寄存器移入的一行數(shù)據(jù)顯示。

　　(6)重復(fù)(2)～(5)直到16行數(shù)據(jù)全部顯示完畢。

　　(7)重復(fù)(1)～(6)刷新顯示。
源程序1和源程序2均為用C51編寫的顯示一屏完整數(shù)據(jù)的顯示函數(shù)。不同之處在于源程序1的SPI讀寫為一個單獨的函數(shù)，而源程序2為了進一步提高數(shù)據(jù)讀取的速度將顯示時的讀顯示數(shù)據(jù)變成了一個循環(huán)體。由于SST25VF016B串行大容量FLASH在給定讀地址后可連續(xù)的讀，其讀地址會自動加1，所以按圖2(b)所示的數(shù)據(jù)組織形式為一屏顯示數(shù)據(jù)在SST25VF016B中連續(xù)存放，編程時連續(xù)讀一行數(shù)據(jù)后再改變掃描行直到16行全部顯示完成。編程的指導(dǎo)思想是盡量減少SPI接口的無效等待時間，因此在源程序2第19行將讀取的顯示數(shù)據(jù)送P2口后第29行立刻啟動下一次SPI讀，而將SCK脈沖的發(fā)送指令放在SPI讀數(shù)據(jù)期間，然后再來判斷SPI讀數(shù)據(jù)是否完成。源程序2第10行啟動SPI讀是為一屏顯示最開始預(yù)讀第1行第1個數(shù)據(jù)(與第11行至第24行的循環(huán)體配合)。為避免出現(xiàn)顯示拖尾在第25至第29行換行時關(guān)閉顯示。實驗結(jié)果表明：源程序1每幀的顯示時間在24 MHz晶振的條件下達到25 ms，即40幀/s，而源程序2在同樣晶振條件每幀的顯示時間為14 ms，即70幀/s，源程序2的執(zhí)行速度遠高于源程序1。

 

為了便于控制，所以要求顯示程序與LED屏的硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)，通過自定義8字節(jié)顯示指令條[命令(1個字節(jié))+參數(shù)表(7個字節(jié))]，將各種不同顯示效果所需的參數(shù)(如：LED顯示屏的硬件信息、起始地址、結(jié)束地址、每行長度、顯示時間等)指定存放在指令參數(shù)表中。顯示指令表存放在顯示數(shù)據(jù)的最前面，而指令表的長度亦用指令的方式加以描述，底層單片機運行時根據(jù)顯示指令可實現(xiàn)不同的顯示效果，如：畫面的切換、定時、水平移動、垂直移動以及特殊顯示效果。

4 控制系統(tǒng)單片機的選型及PC機軟件編程

　　單片機的運行速度直接決定了顯示速度的快慢，而單片機的運行速度又與單片機的時鐘、(晶振)頻率和單片機的結(jié)構(gòu)有關(guān)，在時鐘頻率確定的情況下，單片機的硬件結(jié)構(gòu)直接決定單片機的運行速度。目前主流單片機主要采用以下兩種方式：

　　(1)倍頻方式，通過硬件重新設(shè)計將標準51單片機一個機器周期12T改為6T、4T甚至1T；

　　(2)利用硬件提高某些指令，如：MOVX指令的運行速度，采用雙DPTR模式，甚至在執(zhí)行MOVX指令后DPTR可自動加減1。

　　本文中使用的STC單片機號稱為1T單片機，并非所有指令均為1T，但幾乎所有指令都在標準單片機指令運行速度上大幅度提高。其速度綜合約為標準51單片機的8倍，可以滿足顯示控制系統(tǒng)對單片機運行速度的要求。

　　PC機軟件編程采用VB編程，該程序可完成各種字體、字型點陣的提取、顯示數(shù)據(jù)的組織、顯示效果的模擬演示、顯示信息的管理等功能。底層單片機運行時根據(jù)顯示指令可實現(xiàn)不同的顯示效果，如：畫面的切換、定時、水平移動、垂直移動以及其他特殊顯示效果。

5 結(jié) 語

　　本控制系統(tǒng)通過大量的實驗檢驗是非常可靠的，利用該控制系統(tǒng)制作的小型LED顯示屏與一般用51單片機為控制核心的LED顯示控制系統(tǒng)相比，屏幕的刷新速度大幅度提高，在研制運行過程中也對該控制系統(tǒng)做了多方面的改進。如為了進一步提顯示速度可對編譯后的程序做匯編級的優(yōu)化，利用有些51單片機如DS89C450具有DPTR自動加1的功能，外加用CPLD制成的硬件地址發(fā)生器等。但所有改進的措施都是以增加外部輔助電路或成本為代價的。本控制系統(tǒng)的價格按市價不超過50元，因此其在小型LED顯示控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。