LED大屏幕輸出電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘 要： 在研究目前LED 大屏幕控制電路的基礎(chǔ)上，提出了一種提高輸出速度的實(shí)現(xiàn)方法。文中給出了該方法的原理與電路圖，并探討了不同計(jì)數(shù)方式下，數(shù)據(jù)的組織與顯示的實(shí)現(xiàn)過程。此方法如果與FPGA/ CPLD 改造、使用更高頻率單片機(jī)的方式相結(jié)合，將會(huì)進(jìn)一步提高大屏幕控制電路的性能。改造電路可以高至單片機(jī)主頻的1/ 4 頻率送出顯示數(shù)據(jù)，文中說明了使用此方式時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。
1 引 言
在LED大屏幕等顯示系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)輸出速度的要求日益提高的背景下，當(dāng)前對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行改造的過程中，首選的辦法是更換更高速率的微處理器，而對(duì)硬件電路的挖潛往往容易被忽視。
在實(shí)踐運(yùn)用中，建議應(yīng)先考慮在原有的系統(tǒng)上進(jìn)行硬件電路改造，如仍不能滿足顯示要求，可再考慮更換高速率微處理器及用FPGA/ CPLD 器件進(jìn)行輸出電路替代處理的方案。本文以LED 大屏幕控制電路為例，提出了一種在硬件電路改造上提高顯示數(shù)據(jù)輸出速度的實(shí)現(xiàn)辦法。
2 數(shù)據(jù)輸出電路的優(yōu)化基理
由LED大屏幕的顯示原理可知，一個(gè)數(shù)據(jù)顯示在LED大屏幕的過程分為：從存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)與送入到LED板中顯示兩個(gè)步驟。這一過程需要產(chǎn)生如下控制信號(hào)：數(shù)據(jù)地址送入存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器讀信號(hào)，鎖存器開通及LED單元板中的行信號(hào)、HC595 的SCK 移位、RCK 鎖存、E 使能信號(hào)等。這些必需信號(hào)的產(chǎn)生增加了數(shù)據(jù)顯示過程的時(shí)間。如果能夠復(fù)用其中的信號(hào)，勢(shì)必減少這一過程的延時(shí)。在LED顯示系統(tǒng)中，常把顯示數(shù)據(jù)按行存儲(chǔ)到外部ROM/ RAM 中的辦法即是一例。該辦法設(shè)定存儲(chǔ)器的高位并接到L ED的行控制線上，數(shù)據(jù)按行儲(chǔ)存，送入數(shù)據(jù)地址后，按行讀出數(shù)據(jù)，并同時(shí)開通了行控制信號(hào)。下面的信號(hào)復(fù)用方案也是類似的原理。
圖1 信號(hào)復(fù)用示例
在考查讀外存的MOVX 命令時(shí)發(fā)現(xiàn)：執(zhí)行該命令時(shí)可產(chǎn)生讀信號(hào)（RD # ），即讀外存時(shí)不但不需要另外去產(chǎn)生讀信號(hào)（RD # ），而且還可以將此信號(hào)供給鎖存器74HC273 及LED板上的移位信號(hào)SCK使用。這里要注意的是：在數(shù)據(jù)讀出后，SCK信號(hào)才送出，所以RD # 信號(hào)不可直接做SCK信號(hào)使用，必須做延時(shí)處理（最小延時(shí)必須要略大于RAM 的讀寫時(shí)間tRC與74HC273 的數(shù)據(jù)鎖存延時(shí)tTL H之和）。
而當(dāng)連續(xù)讀出一塊存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)時(shí)，需要通過程序產(chǎn)生新的地址賦值給數(shù)據(jù)口， 而這些地址都是順序變化的?；谶@一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)器電路用來保存讀數(shù)據(jù)時(shí)的初始地址，利用外部供給的脈沖，只要對(duì)計(jì)數(shù)器的保存地址進(jìn)行順序增加，即可將數(shù)據(jù)連續(xù)讀出。
單片機(jī)ALE 腳或是利用串行口工作方式也會(huì)產(chǎn)生一定頻率的脈沖，但沒有SPI 方式下產(chǎn)生的脈沖頻率高，且這兩種方式的使用均有一定的限制，而啟動(dòng)SPI 方式比較方便。串行外圍接口（Serial Perip heral Interface , SPI） 總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，是Motorola 首先在其MC68HCXX 系列處理器上定義的。SPI 系統(tǒng)有4 個(gè)I/ O 腳，它們是串行時(shí)鐘SPSCK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/ 從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI 和低位有效的從機(jī)選擇數(shù)據(jù)線SS.SP2SCK用于同步數(shù)據(jù)從MOSI 輸入和MISO 的輸出傳送。通過對(duì)SPI 控制寄存器SPCR 的設(shè)置，SPSCK的頻率最高可以達(dá)到振蕩器頻率（ fOSC ）的1/ 4。
因?yàn)镾PI 模式可方便產(chǎn)生出較高頻率脈沖的優(yōu)點(diǎn)，即采用SPSCK作為計(jì)數(shù)器的脈沖，利用計(jì)數(shù)器對(duì)存儲(chǔ)器產(chǎn)生連續(xù)變化的地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速讀出。并且SPSCK 信號(hào)經(jīng)過變換與延時(shí)處理，可同時(shí)供給LED做SCK移位信號(hào)使用。
圖2 SPI 在讀取存儲(chǔ)器的運(yùn)用 3 SPI 運(yùn)用的實(shí)現(xiàn)過程 從上文可以得到這樣的啟示：在LED控制電路的設(shè)計(jì)中，可借助于SPI 模式讀取數(shù)據(jù)，即增加一塊SPI 模式的FLASH 存儲(chǔ)器，一方面可以保存重要文檔，另一方面可以利用SPSCK 產(chǎn)生的信號(hào)，通過計(jì)數(shù)器電路實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器高速讀數(shù)據(jù)，并且復(fù)用此信號(hào)產(chǎn)生屏幕顯示的控制信號(hào)。在給定了輸出數(shù)據(jù)的首地址并啟動(dòng)SPI 后，此方式使數(shù)據(jù)的讀出到屏幕顯示這一過程自動(dòng)進(jìn)行，同一信號(hào)源的全硬件方式大大減少了以往分別產(chǎn)生各控制信號(hào)方式時(shí)的銜接延時(shí)。圖3 為SPI 在LED大屏幕控制電路中的運(yùn)用示例。 圖3 SPI 模式下的L ED 大屏幕控制電路圖 級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)根據(jù)RAM 的容量大小，即地址線的數(shù)目來確定。微處理器通過驅(qū)動(dòng)器連接SPI 串行存儲(chǔ)器， 驅(qū)動(dòng)器可以選擇7407 或7417 的型號(hào)。RM_MODE 用來區(qū)別不同的讀寫操作方式。當(dāng)RM_MODE = 1 時(shí)，是普通讀寫外部存儲(chǔ)器的方式，當(dāng)RM_MODE = 0 時(shí)，就可以讓主機(jī)作為主器件，串行FLASH 存儲(chǔ)器作為從器件，兩者以SPI 方式進(jìn)行通信，利用此時(shí)產(chǎn)生的SPSCK信號(hào)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行高速讀數(shù)據(jù)操作。同時(shí)SPSCK信號(hào)經(jīng)過變換與延時(shí)處理，可以供給LED做SCK 移位信號(hào)用。在計(jì)數(shù)脈沖的輸入端，可以使用跳線做加、減方式的選擇處理。當(dāng)脈沖接于計(jì)數(shù)器UP 端時(shí)， 為加計(jì)數(shù)方式， 接于DOWN 時(shí)，為減計(jì)數(shù)方式。圖3 也可擴(kuò)展并接多組計(jì)數(shù)器，多組RAM. 減計(jì)數(shù)器方式的運(yùn)用大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)輸出的靈活性。在LED大屏幕顯示中，加、減計(jì)數(shù)器配合使用，可以使相同一塊控制卡輸出數(shù)據(jù)的顯示長(zhǎng)度提高一倍。當(dāng)使用減計(jì)數(shù)器方式時(shí)，為了與使用加方式時(shí)LED大屏幕上顯示的圖文一致，必須對(duì)與減計(jì)數(shù)器連接的RAM 的數(shù)據(jù)進(jìn)行上、下半屏交換處理，并且在輸出時(shí)要在程序中改變數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)，給出的行控制信號(hào)（RCK） 也應(yīng)做倒序處理（見圖4）。 圖4 加、減法模式下的數(shù)據(jù)組織與顯示 4 本方式使用時(shí)的注意事項(xiàng) 本方式使用時(shí)要注意計(jì)數(shù)器及RAM 芯片的讀寫速度必須與SPSCK 相匹配。SPI 方式的速率比較高，電路各器件讀取速度越高，數(shù)據(jù)出錯(cuò)的幾率就會(huì)越小。 此外還有其他一些原因也會(huì)引起讀數(shù)據(jù)時(shí)的錯(cuò)誤。如軟件編寫不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)地址超出RAM空間，電路設(shè)計(jì)未重視計(jì)數(shù)器高速工作時(shí)發(fā)熱對(duì)周邊器件與布線帶來的影響等。 使用SPSCK 信號(hào)讀取外部?jī)?chǔ)存器時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生SPI 主、從模式下的溢出錯(cuò)誤，即連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)， 后一個(gè)數(shù)據(jù)覆蓋了前一個(gè)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。這種錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因是從器件的傳輸標(biāo)志SPIF從相對(duì)于主器件的傳輸標(biāo)志SPIF主有一定的滯后，在主器件連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致從器件的傳輸標(biāo)志和主器件下一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸標(biāo)志相重疊，而利用SPSCK 觸發(fā)計(jì)數(shù)器使地址遞加讀取數(shù)據(jù)，第一個(gè)收到的數(shù)據(jù)也會(huì)被覆蓋。 這種傳輸錯(cuò)誤可以用軟、硬件的方法進(jìn)行改進(jìn)。在本文的設(shè)計(jì)中，后期在軟件編寫上采用了如下解決方法：先啟動(dòng)SPI 模式，再進(jìn)入計(jì)數(shù)器讀并行RAM ,浪費(fèi)一個(gè)時(shí)序?；蚴窃赗AM 中存入數(shù)據(jù)時(shí)，全部存到它后一位的地址單元上，再用SPI 方式產(chǎn)生的脈沖去讀RAM ,就可得到正確的數(shù)據(jù)。 理論上本文方式可使顯示數(shù)據(jù)的輸出速度高至fOSC的1/ 4 ,但實(shí)際運(yùn)用時(shí)卻受到了RAM、鎖存器等輸出電路器件的參數(shù)限制。SPSCK 的速率設(shè)定要根據(jù)所選擇RAM 的參數(shù)確定，即要滿足RAM 最小的地址有效時(shí)間與數(shù)據(jù)有效時(shí)間的要求。 圖5 主、從SPIF 時(shí)序下的數(shù)據(jù)溢出錯(cuò)誤 5 結(jié) 語 在LED大屏幕的顯示過程中，讀取數(shù)據(jù)頻繁，且隨著顯示面積的增加與色彩變化的豐富，對(duì)數(shù)據(jù)輸出速度的要求越來越高。普通方式讀取一個(gè)字節(jié)的RAM 數(shù)據(jù)，至少需要兩個(gè)機(jī)器周期，即24 T （時(shí)鐘周期）。而使用SPI 方式，數(shù)據(jù)的輸出速度由SPSCK（最高可設(shè)置為f OSC的1/ 4） 決定，而普通方式讀RAM 的速度只有1/ 24 f OSC ,即在SPI 模式下，此LED大屏幕電路的數(shù)據(jù)輸出速度最大可提高6 倍。通過此方法對(duì)輸出電路進(jìn)行改造，可極大地使原有控制系統(tǒng)滿足數(shù)據(jù)高速輸出的要求。本文給出的例子雖是基于LED大屏幕應(yīng)用的，但在LCD 或是其他對(duì)數(shù)據(jù)有高速輸出要求的系統(tǒng)中，同樣具有借鑒運(yùn)用意義。
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