P9816驅動的護欄管顯示與控制系統(tǒng)設計

摘要：設計了護欄管顯示與控制系統(tǒng)，給出了它們的硬件電路圖。結合驅動芯片P9816的通信協(xié)議，編寫了相應程序來控制護欄管的顯示。系統(tǒng)采用控制器讀取SD卡中的數(shù)據(jù)并進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送入護欄管，護欄管即可顯示豐富多彩的內容。
關鍵詞：護欄管；P9816；通信協(xié)議；SD卡

引言
    護欄管廣泛應用于樓體墻面、公園、娛樂場所等地方。護欄管串聯(lián)而成的霓虹燈以及建筑物周圍用護欄管做成的裝飾燈給城市的夜晚增添了無限魅力，其組成的LED彩色顯示屏可以用來顯示文字、圖形、圖像、動畫等各種信息，透視度強，能見度高，是一種比較理想的實用顯示屏幕。護欄管組成的電子產品一直受到人們的喜愛，故障率低、易維護、容易升級更新、開發(fā)成本相對較低。本文設計的護欄管顯示控制系統(tǒng)，簡單易操作，有很強的靈活性，具有廣闊的市場前景。
    目前市場上有多種LED護欄管以及護欄管驅動芯片，本系統(tǒng)選用P9816芯片來驅動護欄管。比較常見的護欄管有6、8、12、16、32段等，每一段又稱為一個像素點，段數(shù)越多，顯示的效果越好。該系統(tǒng)選用6段的護欄管，其中的發(fā)光二極管是由控制器STC89C52、P9816和部分外圍電路控制。

1 護欄管硬件電路設計
    6段護欄管即一根護欄管上有6段，每段各有6個紅色發(fā)光二極管、6個綠色發(fā)光二極管、6個藍色發(fā)光二極管，每種顏色的二極管又可以實現(xiàn)256個灰度級變化，3種顏色不同灰度級的不同組合可以使每一段顯示出不同的色彩。因此，護欄管可以達到非常好的混色效果。根據(jù)用戶的需要，把護欄管排列成不同的形狀，串聯(lián)起來放在建筑物的四周或者道路兩側；也可以把若干護欄管組合成屏幕，顯示各種信息。護欄管級聯(lián)結構框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)包括控制器部分以及護欄管顯示部分。每一根護欄管上有一個P9816驅動芯片，采用24 V直流穩(wěn)壓電源(電源1)對護欄管上的發(fā)光二極管供電，通過電源電路把24 V電壓轉變成5 V(電源2)對單片機STC89C52和P9816驅動芯片供電。把效果文件放入被格式化過的SD卡中，利用控制器讀取SD卡中的內容并將數(shù)據(jù)送入護欄管顯示。本系統(tǒng)選用了高集成度的芯片，如單片機STC89C52、74HC245、P9816驅動芯片，硬件電路比較簡潔，便于設計和制作，方便實驗。
1．1 LED護欄管顯示設計
    護欄管顯示部分包括P9816驅動電路、LED護欄管發(fā)光電路以及電源電路3部分。
1．1．1 P9816驅動電路設計
    P9816作為護欄管的驅動芯片有以下優(yōu)點：
    ①它是一款全彩點光源LED驅動芯片，采用CMOS工藝，提供9路恒流驅動及256級灰度調制輸出；使用1／2分頻技術，使1片IC能控制6個像素點，用于驅動顯示燈光變幻、彩色動漫圖案。
    ②根據(jù)不同控制器和客戶不同形式要求，進行脫機或聯(lián)機運行，可視效果分明，級聯(lián)方式簡單，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強。
    ③最大串行輸入數(shù)據(jù)時鐘頻率為10 MHz，數(shù)據(jù)信號鎖相再生，1 MHz數(shù)據(jù)傳輸速度下級聯(lián)點光源可達1 024個。
    由此可見P9816是一種比較理想的LED護欄管驅動芯片。本文考慮到設計的復雜性和現(xiàn)有的軟硬件沒備，決定使用單一控制器對LED護欄管進行控制，在以后產品更新過程中可以逐步使用多個控制器，這樣就使整個系統(tǒng)相對較容易控制。給驅動芯片供電即可正常工作，P9816驅動電路如圖2所示。

    P9816輸出 3組信號，可以控制3段發(fā)光二極管，而一根護欄管有6段。需要設計一個電路，當分頻信號SEL為高電平“1”時，掃描1、3、5段，此時1、3、5段發(fā)光二極管亮；SEL為低電平“0”時，掃描2、4、6段，此時2、4、6段發(fā)光二極管亮，實現(xiàn)對6段護欄管的分時控制。

    分時控制電路如圖3所示。其中VCC為高電平。工作原理如下：當SEL為高電平時，Q1導通，Q4的基極為低電平，從而使Q4導通；同時，Q2導通，Q3截止，Q5的基極為高阻態(tài)，從而Q5截止。利用Q4、Q5的開關特性通過DA、DB的高低電平不同來實現(xiàn)分時控制。
1．1．2 LED護欄管電路設計
    P9816提供電流驅動，每路驅動的最大電流是26 mA，此電流可以使發(fā)光二極管能夠正常發(fā)光。LED護欄管電路如圖4所示。DA、DB電壓約為22 V，且流過發(fā)光二極管的電流約為10 mA時二極管即可正常發(fā)光。由于發(fā)光二極管的顏色不同，導致各個管壓降不同，紅色發(fā)光二極管的壓降為2 V，綠色和藍色發(fā)光二極管的壓降為3V。因此在紅色發(fā)光二極管的電路中使用了一個5．1 V的穩(wěn)壓二極管進行降壓。并且電路接的電阻較大為510 Ω，紅色發(fā)光二極管的電路總壓降可以近似表示為5．1V+510x 0．01V+6×2 V=22．2V，符合電路設計要求；綠色和藍色發(fā)光二極管的管壓降幾乎相同，因此綠色和藍色發(fā)光二極管可以使用相同的硬件發(fā)光電路，接360Ω的電阻，其正常工作時的電路的總壓降可以表示為360×0．01V+3×6 V=11．6V。經過實驗測試，設計的電路系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，紅、綠、藍發(fā)光二極管可以正常發(fā)光，初步實現(xiàn)了預期效果。

1．1．3 電源電路設計
    發(fā)光二極管和P9816的工作電壓是不同的，P9816正常工作需要+5 V電源，當只提供24 V電源時，需要設計電路來得到5 V電壓。電源電路如圖5所示。

    電路中選用LM78L05作為穩(wěn)壓器件，其輸出電流可為100mA。LM78L05長時間工作會發(fā)熱，加限流、分壓電阻R1，經測試得到LM78L05輸入端電壓為7．1V，因此LM78L05可以穩(wěn)定工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。此電路既可以滿足各元器件的工作電壓，又極大地降低了電路成本，是一種比較理想的設計方案。
1．2 MCU控制器電路設計
    控制器部分有STC89C52單片機、SD卡電路、74HC245驅動電路、電源以及液晶顯示5部分?？刂破鞑糠值恼w結構框圖如圖6所示。

    選用STC89C52單片機作為控制器，它是一款高速、低功耗和超強抗干擾的單片機。丁作電壓范圍為3．3～5．5 V，工作頻率為0～40 MHz，實際工作頻率可達48 MHz。此處選用5 V工作電壓，對于晶振電路，該系統(tǒng)選用的是頻率為27 MHz的石英晶振。在滿足控制要求的前提下又使此單片機的內部資源得到最大限度的利用。
    利用74HC245總線驅動器，提高電路的帶負載能力。74HC245是高集成芯片，使用時接線簡單。將引腳1(DIR)接高電平，引腳19(OE)為使能端，若該腳為“1”則A／B端的信號將不導通，只有為“0”時A／B端才被啟用，該腳也就是起到開關的作用，所以正常使用時該引腳接地即可實現(xiàn)A端輸入、B端輸出。

    STC89C52與SD卡采用模擬串口通信，在控制器讀取SD卡中的效果文件時，SD卡中的護欄管點數(shù)和文件個數(shù)通過LCD1602顯示出來。電源采用圖5提供的5 V電壓供電?？刂齐娐啡鐖D7所示。復位電路選用了電容與電阻串聯(lián)的形式，電解電容C1=10μF，R1=1kΩ。

2 護欄管軟件設計
   本系統(tǒng)很容易實現(xiàn)STC89C52單片機與P9816控制芯片通信。P9816通信協(xié)議與P9813兼容，P9816通信協(xié)議圖如圖8所示。

    前32位“0”為起始幀，在CIN上升沿時打入，并且時序DIN要先于CIN，標志位為2個“1”。校驗數(shù)據(jù)“B7”與“B6”為藍色灰度數(shù)據(jù)的“B7”與“B6”的反碼，灰度級數(shù)據(jù)要高位先入，并且是藍綠紅順序。
    將已經包含效果文件的SD卡放入MCU控制器的卡槽中，當要求護欄管顯示內容時，可以直接打開開關。在程序的執(zhí)行過程中，首先是讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，為使程序能夠高效的運行，規(guī)定SD卡中的每個效果文件具有一定的格式：
    ①第1個效果文件的第1個512字節(jié)中的前4個字節(jié)存放護欄管的點數(shù)(512點或1024點或其他)；
    ②第1個效果文件的第1個512字節(jié)中的第5個、第6個和第7個字節(jié)存放此SD卡中包含的效果文件的個數(shù)；
    ③第1個效果文件的第1個512字節(jié)中的第8個字節(jié)若為1，表示循環(huán)發(fā)送整個SD卡中的數(shù)據(jù)，為0表示只發(fā)送一次SD卡中的數(shù)據(jù)；
    ④從第1個效果文件的第2個512字節(jié)及其他的效果文件的第1個512字節(jié)開始存放護欄管的灰度數(shù)據(jù)。
    STC89C52單片機中的程序和SD卡中的數(shù)據(jù)是嚴格遵守此規(guī)則的，制定此規(guī)則同時也具有加密的作用。然后進行數(shù)據(jù)分析，得到護欄管點數(shù)、文件個數(shù)以及數(shù)據(jù)的地址。最后按照P9816通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)格式來發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的程序結構簡單，思路明確，系統(tǒng)程序流程圖如圖9所示。

結語
    本系統(tǒng)設計制作的護欄管完成了預期目標，軟硬件相結合取得了較好的實驗效果。實際中是動態(tài)的，根據(jù)SD卡中不同的數(shù)據(jù)顯示各種各樣的顏色和圖案。

    圖10為護欄管實物圖。本文設計的護欄管顯示控制系統(tǒng)，成本低、應用靈活、硬件電路設計制作相對比較簡單，非常適合用于城市夜化美化工程，具有較好的應用前景。