摘要： 針對LED 顯示屏應用中存在的問題，給出了一種低成本、內(nèi)容更新便捷的點陣LED 文字顯示屏的方案。系統(tǒng)采用C8051F410作為MCU,利用藍牙模塊接收手機藍牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過單片機控制字庫芯片進行字符集的轉換、點陣代碼的提取，進而由單片機控制點陣屏更新顯示數(shù)據(jù)。經(jīng)實際使用，控制穩(wěn)定、方便。
0 引言
本文設計一種內(nèi)容更新便捷、可擴展、低價格的點陣LED 文字顯示屏。降低成本的途徑是①用幾乎人人都有的手機的藍牙數(shù)據(jù)傳輸功能進行LED 顯示內(nèi)容的更新，免去專業(yè)上位機軟件和控制卡的成本，操作也更簡單;②單次顯示內(nèi)容在5 ~ 30 個漢字或英文字母，因為顯示內(nèi)容較少，就可實現(xiàn)擴展電路的簡單化。
1 系統(tǒng)設計方案
1. 1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由帶藍牙功能的智能手機和LED 顯示屏組成。其中，LED 顯示屏由單片機、LED 點陣模塊、字庫芯片、藍牙接收模塊、5V 開關電源和3.3V 穩(wěn)壓電路組成，如圖1 所示。系統(tǒng)工作過程是： 用戶通過智能手機的記事本編輯"數(shù)據(jù)",并經(jīng)無線藍牙發(fā)送到顯示屏上的藍牙接收模塊。主控單片機讀取藍牙接收模塊接收的"數(shù)據(jù)"并進行處理。"數(shù)據(jù)"由"控制命令"和"顯示內(nèi)容"構成，兩部分數(shù)據(jù)用自定義特征符分隔開。"控制命令"用于對顯示屏的亮度、顯示內(nèi)容移動速度和移動方向進行設置; 而單片機根據(jù)收到的"顯示內(nèi)容"的字符代碼在字庫芯片中找到相應的32 字節(jié)顯示代碼送點陣屏顯示。
圖1 系統(tǒng)組成
1. 2 LED 點陣屏工作原理
LED 點陣顯示屏可按顯示需要由若干塊每塊LED 單元板拼接而成。通用LED 單元板由2 位16 × 16 點陣LED 構成，尺寸為160* 320mm2.單元板的工作原理如下。
每板有16 行32 列，數(shù)據(jù)的顯示采用傳統(tǒng)的行列式掃描方式。通常為了減小閃爍，提高掃描速度，采用1 /4 掃描，即把16 行分為4 個4 行，每次同時選通4 個4 行中的同序對應行，這樣掃描4 次即可完成16 行的掃描顯示。其中列控制由74HC595承擔，每塊單元板上有16 片，每片分別控制4 行8 列的點陣小單元。行控制是由1 片譯碼器74LS138 承擔，每次使單元板的4 個4 行的同序對應行選通。為了保證正常的電流驅動( 亮度) ,74LS138 的輸出經(jīng)AMP4593 驅動放大。每塊單元板有4 片，每片分別驅動4 行。16 片74HC595 接成級聯(lián)方式，由于每4 行32 列需4 片74HC595, 16 行32 列就是16 片。設第一個4 行的4 片74HC595 序號為1、2、3、4,第二個4 行的4 片74HC595 序號為5、6、7、8,依次類推。每一片的數(shù)據(jù)輸出端接到下一片的輸入端，數(shù)據(jù)從第1 片的輸入端串行輸入，在移位脈沖的作用下一位一位依序移入，經(jīng)過8 × 16 個脈沖，最先移入的數(shù)據(jù)位移到了第16 片的最低位( 也是該片的輸出端) ,所有數(shù)據(jù)都移入后，就可顯示一板完整的內(nèi)容，按此規(guī)律即可進行顯示的軟件設計。如果顯示的字數(shù)多，拼接的LED 單元板就多，顯示一屏完整內(nèi)容所需的移位脈沖就多。這種顯示方式要求主控單片機有較高的指令執(zhí)行速度，否則就會有閃爍感。點陣單元板原理圖如圖2 所示。
圖2 點陣單元板原理圖
2 系統(tǒng)主要模塊的選擇和電路設計
2. 1 主控芯片
2. 1. 1 芯片選擇
為了滿足LED 顯示屏的顯示及多板的擴展，要求系統(tǒng)主控單片機有較快的運行速度; 較大的存儲空間用于存儲顯示數(shù)據(jù)，因此選用美國silicon 公司的C8051F410.該芯片是一款高性能產(chǎn)品，F(xiàn)TQP - 32 封裝( 9mm* 9mm) 大大減小了體積; 由于采用了精簡指令結構，使得每個機器周期僅需一個時鐘周期，運算速度快大大加快，如果使用片內(nèi)24. 5MHz 的內(nèi)部時鐘，其運行速度大約是普通8051 單片機工作在12MHz 時鐘時的24 倍; 芯片內(nèi)部資源豐富，自帶看門狗，通過JTAG 接口連接調(diào)試器，可方便硬件在線調(diào)試; 芯片內(nèi)含UART、SPI、I2C 等通信接口，方便與外圍芯片連接; 4 個定時器/計數(shù)器使編程更方便; 自帶的16K/32KFLASH,可存儲大約1K 個漢字。
2. 1. 2 最小系統(tǒng)電路設計
系統(tǒng)對單片機時鐘的精度和溫度穩(wěn)定度都沒有特別要求，可以直接使用C8051F410 單片機內(nèi)部自帶的時鐘振蕩器，而無需外接振蕩器。使用時要注意的是，是芯片工作電源是從Vregin 引腳引入( + 3. 3V) ,VDD 是內(nèi)部基準電壓輸出引腳，VIO 是I /O 口作為數(shù)字引腳時的電源輸入引腳。電路設計時必需在緊靠這3 個引腳的位置布上濾波和退耦電容( 4. 7μ 和104p) .P1. 0~ P1. 3 是顯示屏的控制線CLK、SCLK、R 和OE; P1. 7、P0. 0 ~ P0. 2是字庫芯片控制線，采用SPI 接口; P2. 0 和P2. 1 是顯示屏的行掃控制線A 和B; P0. 4 和P0. 5 是串口通信線，與藍牙模塊連接。這12 根引腳都需配置為數(shù)字引腳。最小系統(tǒng)電路如圖3 所示。
圖3 C8051F410 單片機最小系統(tǒng)
2. 2 藍牙模塊
2. 2. 1 模塊選擇
選用藍牙模塊的要求是： 價格便宜、體積小，使用方便。符合條件的藍牙模塊產(chǎn)品很多。設計選用的是南京國春電氣生產(chǎn)的GC - 02 藍牙模塊，這是款高質(zhì)量的CLASS2 藍牙模塊。此藍牙模塊內(nèi)部帶有對象交換協(xié)議( OPP) 文件接收功能，只要上電后，就可被手機藍牙識別，并可成功配對建立連接，接收手機藍牙傳輸?shù)奈募?/p>
GC - 02 藍牙模塊共有29 個引腳，可通過SPI 接口或UART接口與單片機通信。本系統(tǒng)單片機選擇UART 方式與GC - 02進行通信。藍牙模塊處于待機模式時，已配對過的手機向藍牙模塊發(fā)送文件，未配對的手機需先進行配對，輸入正確的PIN 碼( 即配對密碼) 即可配對。此藍牙模塊的出場廠PIN 碼是"1234",其PIN 碼可通過向藍牙模塊發(fā)送指令進行修改。
2. 2. 2 電路設計
單片機通過引腳P0.4 和P0. 5 與藍牙模塊GC- 2 的串口( 12 腳和13腳) 進行通信，藍牙模塊的其他功能未用。單片機與藍牙模塊的連接如圖4所示。
圖4 單片機與藍牙模塊的連接圖。
2. 3 字庫芯片
2. 3. 1 芯片選擇
由于使用中顯示的內(nèi)容需要經(jīng)常更換，采用文字"取模"獲得顯示數(shù)據(jù)的方法顯然行不通，在顯示電路中存儲字庫或采用字庫芯片是個可行的辦法。設計采用字庫芯片，選擇GT21L16S2W 標準漢字字庫芯片。
GT21L16S2W 是一款內(nèi)含11 × 12 點陣和15 × 16 點陣的漢字庫芯片，支持GB2312 國標簡體漢字( 含有國家信標委合法授權) 、ASCII 字符及GB2312 與Unicode 編碼互轉表。排列格式為橫置橫排。根據(jù)字符點陣在芯片中的地址，就可從該地址連續(xù)讀出字符點陣信息。
以15X16點陣漢字為例，漢字信息需要32 個字節(jié)( BYTE 0- BYTE31 ) 來表示，點陣的數(shù)據(jù)是橫置橫排的，其具體排列結構如圖5.每個漢字在芯片中是以漢字點陣字模的形式存儲的，每個點用一個二進制位表示，存1 的點，當顯示時可以在屏幕上顯示亮點，存0 的點，則在屏幕上不顯示。點陣排列格式為橫置橫排： 即一個字節(jié)的高位表示左面的點，低位表示右面的點，排滿一行的點后再排下一行。這樣把點陣信息用來直接在顯示器上按上述規(guī)則顯示，則將出現(xiàn)對應的漢字。15X16 點陣漢字存儲在00000H ~3B7BFH 的芯片地址范圍中，只要知道漢字的內(nèi)碼，就可計算出漢字顯示數(shù)據(jù)的首地址。
圖5 漢字點陣排列格式
2. 3. 2 接口電路
字庫芯片GT21L16S2W 的各引腳功能如下： 1、2、5、6 腳是SPI接口，其中： 1( CS#) 為片選輸入，2 ( SO) 為串行數(shù)據(jù)輸出，5( SI) 為串行數(shù)據(jù)輸入，6( SCLK) 為串行時鐘。
7 腳( HOLD #) 為總線掛起，該信號可用于在片選信號有效期間暫停數(shù)據(jù)傳輸。單片機通過引腳P0. 0 ~ P0.2 以及P1.7 與字庫芯片進行通信，讀取顯示數(shù)據(jù)。HOLD#引腳懸空，Vcc 工作電源為3. 3 V.單片機與字庫芯片的連接如圖6 所示。
圖6 單片機與字庫芯片的連接圖。
2. 4 LED 點陣屏與單片機的連接
點陣屏選擇的是市場上應用最為廣泛的P10 單紅戶外單元板。該模塊具有高穩(wěn)定性，高亮度，顏色均勻等特點，進行的掃描方式是1 /4 掃，控制方法簡便，有利于優(yōu)化軟件設計，采用點陣單元可以根據(jù)需要進行拼湊，靈活性強。LED 點陣屏與單片機的連接如圖7 所示。其中，OE( P1. 3) 為使能信號，連接74HC138,用于亮度控制，也可用于顯示屏消隱。只要調(diào)整它的占空比就可以控制亮度的變化。ABCD 為行掃描信號，A 是最低位，如果ABCD信號全用上，控制掃描的最大范圍是16 行，1 /4 掃描中只要AB( P2. 0 和P2. 1) 信號就可以了。當行控制信號出現(xiàn)異常時，將會出現(xiàn)顯示錯位、高亮或圖像重疊等現(xiàn)象。
CLK( P1. 0) 為移位脈沖，每一個脈沖將數(shù)據(jù)移入或移出一位。當時鐘信號有異常時，會使整板顯示雜亂無章。STB( P1. 1) 是鎖存信號，將移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)鎖存并將其數(shù)據(jù)內(nèi)容通過驅動電路點亮LED顯示出來。RI( P1. 2) 是顯示數(shù)據(jù)的輸入端。
2. 5 電源模塊
電源模塊由5 V 大功率電源和+ 3. 3 V 小功率穩(wěn)壓電路組成。前者是給LED 屏提供電源，后者是把5V 電壓穩(wěn)壓成3. 3 V后提供給單片機、藍牙模塊和字庫模塊工作，這里選用ASM1117- 3. 3 芯片。市售通用的LED 板輸入額定功率約為190 W/ m2 ,每塊單元板面積是160* 320 mm2 ,最大工作電流約為2 A( 5 V 工作電壓時功耗是10 W) ,可根據(jù)所要求的LED 顯示屏的面積選擇開關電源的功率。常用的開關電源，配合雙MOS 管輸出以及加強型散熱器和濾波電容線圈，可保障純凈充足的電流輸出。
2. 6 系統(tǒng)總體電路
本系統(tǒng)以單片機C8051F410 作為MCU,外圍電路包括藍牙模塊、字庫芯片、LED 點陣屏和電源模塊，系統(tǒng)電路原理如圖8 所示。
圖8 系統(tǒng)原理圖。
3 系統(tǒng)軟件設計
單片機的初始化包括： ①時鐘初始化，選擇片內(nèi)24.5MHz 內(nèi)部時鐘。②引腳配置： 配置P0. 0 ~ P0. 2 為SPI 接口(3 線) ,與字庫芯片通信; 配置P0. 4 和P0. 5 為串口，與藍牙模塊實現(xiàn)通訊; 配置P1. 0 ~ P1. 3、P2. 0 和P2. 1 為數(shù)字I /O,實現(xiàn)對顯示屏的控制。
③中斷、定時器/計數(shù)器和FLASH 相關寄存器初始化。系統(tǒng)軟件流程如圖9 所示。
圖9 系統(tǒng)軟件流程
初始化后系統(tǒng)將主動讀取FLASH 指定地址范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)( Unicode 字符集) 轉換得到與Unicode 數(shù)據(jù)對應的GB2312字符集代碼在字庫芯片的地址碼，然后將該地址碼送給字庫芯片提取該地址所對應的GB2312 字符集，再將GB2312 字符集代碼通過字庫芯片轉化提取相對應的16* 16 點陣代碼，通過SPI 口將代碼送給單片機，進而單片機將點陣代碼送給點陣屏并控制點陣屏將數(shù)據(jù)顯示出來。
正常工作狀態(tài)下，當手機藍牙與系統(tǒng)藍牙模塊發(fā)生配對時，手機只有輸入正確的PIN 碼后，才可成功配對，配對成功后，若手機采用記事本軟件通過藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)，藍牙模塊將接收數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送出去，這時單片機接收數(shù)據(jù)，如果識別到有效數(shù)據(jù)的開始位為標志位"#",那么系統(tǒng)將認為該命令是控制命令，即控制LED 顯示的亮度、速度、移動方向?？刂泼畹母袷阶灾鞫x。例如"#35 左",意思為："#"為控制標志位，"3"控制亮度( 控制范圍為0 - 9,數(shù)值越大亮度越高) ,"5"控制速度( 控制范圍0 - 9,數(shù)字越大速度越慢) ,"左"為方向控制位( 左為移動方向向左移，右代表向右移，上表示向上移，下為向下移) .如果有效數(shù)據(jù)的開始位不為"#",那么將默認此次數(shù)據(jù)為LED 要顯示的新內(nèi)容，系統(tǒng)將把數(shù)據(jù)按順序存入指定的FLASH 地址范圍內(nèi)，待復位后新數(shù)據(jù)將顯示于屏幕上。特別要指出的是，為了保證顯示屏工作的可靠性，要在顯示循環(huán)程序中得合適位置設置好"喂狗"參數(shù)。
4 結束語
系統(tǒng)實現(xiàn)了通過手機更新顯示屏顯示內(nèi)容的目的，方便又快捷。經(jīng)過一批用戶的使用，顯示性能和控制性能均較為穩(wěn)定。但是，在實際使用過程中也遇到了尚未解決的問題： ①有部分手機不支持Unicode 字符集格式。②本設計僅限于智能機通過記事本編輯顯示數(shù)據(jù)的傳送，而不同手機采用的記事本編輯軟件不盡兼容，本設計是基于Nokia 手機軟件設計的。
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