基于藍(lán)牙技術(shù)的LED點(diǎn)陣屏設(shè)計(jì)方案

 摘要： 針對LED 顯示屏應(yīng)用中存在的問題，給出了一種低成本、內(nèi)容更新便捷的點(diǎn)陣LED 文字顯示屏的方案。系統(tǒng)采用C8051F410作為MCU,利用藍(lán)牙模塊接收手機(jī)藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)控制字庫芯片進(jìn)行字符集的轉(zhuǎn)換、點(diǎn)陣代碼的提取，進(jìn)而由單片機(jī)控制點(diǎn)陣屏更新顯示數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)際使用，控制穩(wěn)定、方便。

0 引言

本文設(shè)計(jì)一種內(nèi)容更新便捷、可擴(kuò)展、低價(jià)格的點(diǎn)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(jī)的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行LED 顯示內(nèi)容的更新，免去專業(yè)上位機(jī)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(gè)漢字或英文字母，因?yàn)轱@示內(nèi)容較少，就可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展電路的簡單化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1. 1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由帶藍(lán)牙功能的智能手機(jī)和LED 顯示屏組成。其中，LED 顯示屏由單片機(jī)、LED 點(diǎn)陣模塊、字庫芯片、藍(lán)牙接收模塊、5V 開關(guān)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(jī)的記事本編輯"數(shù)據(jù)",并經(jīng)無線藍(lán)牙發(fā)送到顯示屏上的藍(lán)牙接收模塊。主控單片機(jī)讀取藍(lán)牙接收模塊接收的"數(shù)據(jù)"并進(jìn)行處理。"數(shù)據(jù)"由"控制命令"和"顯示內(nèi)容"構(gòu)成，兩部分?jǐn)?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(dòng)速度和移動(dòng)方向進(jìn)行設(shè)置; 而單片機(jī)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(yīng)的32 字節(jié)顯示代碼送點(diǎn)陣屏顯示。

圖1 系統(tǒng)組成

1. 2 LED 點(diǎn)陣屏工作原理

LED 點(diǎn)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(diǎn)陣LED 構(gòu)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(gè)4 行，每次同時(shí)選通4 個(gè)4 行中的同序?qū)?yīng)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(dān)，每塊單元板上有16 片，每片分別控制4 行8 列的點(diǎn)陣小單元。行控制是由1 片譯碼器74LS138 承擔(dān)，每次使單元板的4 個(gè)4 行的同序?qū)?yīng)行選通。為了保證正常的電流驅(qū)動(dòng)( 亮度) ,74LS138 的輸出經(jīng)AMP4593 驅(qū)動(dòng)放大。每塊單元板有4 片，每片分別驅(qū)動(dòng)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(shè)第一個(gè)4 行的4 片74HC595 序號為1、2、3、4,第二個(gè)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(gè)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(jìn)行顯示的軟件設(shè)計(jì)。如果顯示的字?jǐn)?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(jī)有較高的指令執(zhí)行速度，否則就會(huì)有閃爍感。點(diǎn)陣單元板原理圖如圖2 所示。

圖2 點(diǎn)陣單元板原理圖

2 系統(tǒng)主要模塊的選擇和電路設(shè)計(jì)

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(kuò)展，要求系統(tǒng)主控單片機(jī)有較快的運(yùn)行速度; 較大的存儲(chǔ)空間用于存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)，使得每個(gè)機(jī)器周期僅需一個(gè)時(shí)鐘周期，運(yùn)算速度快大大加快，如果使用片內(nèi)24. 5MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘，其運(yùn)行速度大約是普通8051 單片機(jī)工作在12MHz 時(shí)鐘時(shí)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(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器使編程更方便; 自帶的16K/32KFLASH,可存儲(chǔ)大約1K 個(gè)漢字。

2. 1. 2 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對單片機(jī)時(shí)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(jī)內(nèi)部自帶的時(shí)鐘振蕩器，而無需外接振蕩器。使用時(shí)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(zhǔn)電壓輸出引腳，VIO 是I /O 口作為數(shù)字引腳時(shí)的電源輸入引腳。電路設(shè)計(jì)時(shí)必需在緊靠這3 個(gè)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(lán)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(jī)最小系統(tǒng)

2. 2 藍(lán)牙模塊

2. 2. 1 模塊選擇

選用藍(lán)牙模塊的要求是： 價(jià)格便宜、體積小，使用方便。符合條件的藍(lán)牙模塊產(chǎn)品很多。設(shè)計(jì)選用的是南京國春電氣生產(chǎn)的GC - 02 藍(lán)牙模塊，這是款高質(zhì)量的CLASS2 藍(lán)牙模塊。此藍(lán)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(jī)藍(lán)牙識別，并可成功配對建立連接，接收手機(jī)藍(lán)牙傳輸?shù)奈募?/p>

GC - 02 藍(lán)牙模塊共有29 個(gè)引腳，可通過SPI 接口或UART接口與單片機(jī)通信。本系統(tǒng)單片機(jī)選擇UART 方式與GC - 02進(jìn)行通信。藍(lán)牙模塊處于待機(jī)模式時(shí)，已配對過的手機(jī)向藍(lán)牙模塊發(fā)送文件，未配對的手機(jī)需先進(jìn)行配對，輸入正確的PIN 碼( 即配對密碼) 即可配對。此藍(lán)牙模塊的出場廠PIN 碼是"1234",其PIN 碼可通過向藍(lán)牙模塊發(fā)送指令進(jìn)行修改。

2. 2. 2 電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過引腳P0.4 和P0. 5 與藍(lán)牙模塊GC- 2 的串口( 12 腳和13腳) 進(jìn)行通信，藍(lán)牙模塊的其他功能未用。單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的連接如圖4所示。

圖4 單片機(jī)與藍(lán)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(chǔ)字庫或采用字庫芯片是個(gè)可行的辦法。設(shè)計(jì)采用字庫芯片，選擇GT21L16S2W 標(biāo)準(zhǔn)漢字字庫芯片。

GT21L16S2W 是一款內(nèi)含11 × 12 點(diǎn)陣和15 × 16 點(diǎn)陣的漢字庫芯片，支持GB2312 國標(biāo)簡體漢字( 含有國家信標(biāo)委合法授權(quán)) 、ASCII 字符及GB2312 與Unicode 編碼互轉(zhuǎn)表。排列格式為橫置橫排。根據(jù)字符點(diǎn)陣在芯片中的地址，就可從該地址連續(xù)讀出字符點(diǎn)陣信息。

以15X16點(diǎn)陣漢字為例，漢字信息需要32 個(gè)字節(jié)( BYTE 0- BYTE31 ) 來表示，點(diǎn)陣的數(shù)據(jù)是橫置橫排的，其具體排列結(jié)構(gòu)如圖5.每個(gè)漢字在芯片中是以漢字點(diǎn)陣字模的形式存儲(chǔ)的，每個(gè)點(diǎn)用一個(gè)二進(jìn)制位表示，存1 的點(diǎn)，當(dāng)顯示時(shí)可以在屏幕上顯示亮點(diǎn)，存0 的點(diǎn)，則在屏幕上不顯示。點(diǎn)陣排列格式為橫置橫排： 即一個(gè)字節(jié)的高位表示左面的點(diǎn)，低位表示右面的點(diǎn)，排滿一行的點(diǎn)后再排下一行。這樣把點(diǎn)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(yīng)的漢字。15X16 點(diǎn)陣漢字存儲(chǔ)在00000H ~3B7BFH 的芯片地址范圍中，只要知道漢字的內(nèi)碼，就可計(jì)算出漢字顯示數(shù)據(jù)的首地址。

圖5 漢字點(diǎn)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(shí)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(jī)通過引腳P0. 0 ~ P0.2 以及P1.7 與字庫芯片進(jìn)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(jī)與字庫芯片的連接如圖6 所示。

圖6 單片機(jī)與字庫芯片的連接圖。

2. 4 LED 點(diǎn)陣屏與單片機(jī)的連接

點(diǎn)陣屏選擇的是市場上應(yīng)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(diǎn)，進(jìn)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(shè)計(jì)，采用點(diǎn)陣單元可以根據(jù)需要進(jìn)行拼湊，靈活性強(qiáng)。LED 點(diǎn)陣屏與單片機(jī)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(dāng)行控制信號出現(xiàn)異常時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)顯示錯(cuò)位、高亮或圖像重疊等現(xiàn)象。

CLK( P1. 0) 為移位脈沖，每一個(gè)脈沖將數(shù)據(jù)移入或移出一位。當(dāng)時(shí)鐘信號有異常時(shí)，會(huì)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(qū)動(dòng)電路點(diǎn)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(jī)、藍(lán)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(shí)功耗是10 W) ,可根據(jù)所要求的LED 顯示屏的面積選擇開關(guān)電源的功率。常用的開關(guān)電源，配合雙MOS 管輸出以及加強(qiáng)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(jī)C8051F410 作為MCU,外圍電路包括藍(lán)牙模塊、字庫芯片、LED 點(diǎn)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(shè)計(jì)

單片機(jī)的初始化包括： ①時(shí)鐘初始化，選擇片內(nèi)24.5MHz 內(nèi)部時(shí)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(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)通訊; 配置P1. 0 ~ P1. 3、P2. 0 和P2. 1 為數(shù)字I /O,實(shí)現(xiàn)對顯示屏的控制。

③中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和FLASH 相關(guān)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(dòng)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(zhuǎn)換得到與Unicode 數(shù)據(jù)對應(yīng)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(yīng)的GB2312 字符集，再將GB2312 字符集代碼通過字庫芯片轉(zhuǎn)化提取相對應(yīng)的16* 16 點(diǎn)陣代碼，通過SPI 口將代碼送給單片機(jī)，進(jìn)而單片機(jī)將點(diǎn)陣代碼送給點(diǎn)陣屏并控制點(diǎn)陣屏將數(shù)據(jù)顯示出來。

正常工作狀態(tài)下，當(dāng)手機(jī)藍(lán)牙與系統(tǒng)藍(lán)牙模塊發(fā)生配對時(shí)，手機(jī)只有輸入正確的PIN 碼后，才可成功配對，配對成功后，若手機(jī)采用記事本軟件通過藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊將接收數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送出去，這時(shí)單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，如果識別到有效數(shù)據(jù)的開始位為標(biāo)志位"#",那么系統(tǒng)將認(rèn)為該命令是控制命令，即控制LED 顯示的亮度、速度、移動(dòng)方向。控制命令的格式自主定義。例如"#35 左",意思為："#"為控制標(biāo)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(dòng)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(rèn)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(fù)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(shè)置好"喂狗"參數(shù)。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)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(shí)際使用過程中也遇到了尚未解決的問題： ①有部分手機(jī)不支持Unicode 字符集格式。②本設(shè)計(jì)僅限于智能機(jī)通過記事本編輯顯示數(shù)據(jù)的傳送，而不同手機(jī)采用的記事本編輯軟件不盡兼容，本設(shè)計(jì)是基于Nokia 手機(jī)軟件設(shè)計(jì)的。