基于AVR的LED數(shù)字大屏幕的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，應(yīng)用越來越廣泛。ATMEGA16L單片機(jī)是一款基于AVR RISC 的、低功耗CMOS 8 位單片機(jī)，具有16K字節(jié)的自編程FLASH， 512字節(jié)的EEPROM， 1K字節(jié)的SRAM， 通過AVR單片機(jī)來控制LED的顯示，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用靈活，并且易于擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 編碼設(shè)計(jì)

　　編碼設(shè)計(jì)有兩個(gè)過程：字庫提取以及字模編碼轉(zhuǎn)換。字庫的提取涉及到的兩個(gè)字庫文件，一個(gè)為ASC16，專門存放ASCII編碼；另一個(gè)為HZK16，專門存放漢字字庫編碼。要提取字庫，首先要對它進(jìn)行初始化，即打開字庫。然后根據(jù)一個(gè)字符提取它相應(yīng)的編碼。首先取出字符的內(nèi)碼后（注意區(qū)分單字節(jié)和雙字節(jié)的內(nèi)碼），接著通過內(nèi)碼得到該字符對應(yīng)的字模的編碼在ASCII或HZK16內(nèi)的偏移量，最后就可以根據(jù)這個(gè)地址在文件中的偏移位置找到相應(yīng)的字模編碼，我們可以通過這個(gè)公式來計(jì)算：

　　在ASCII中，偏移量=(內(nèi)碼的低地址)*16，

　　在HZK16中，偏移量= ((內(nèi)碼的高地址-161)*94 + (內(nèi)碼的低地址-161))*32。

　　此時(shí)得到的字模編碼不是最終所要的編碼（單字節(jié)數(shù)據(jù)如英文是按8*16點(diǎn)陣來顯示，而雙字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)如漢字是按16*16點(diǎn)陣來顯示的）。這里統(tǒng)一使用8*16點(diǎn)陣，這就需要對其轉(zhuǎn)換。下圖左表格表示的是漢字編碼在字庫內(nèi)存放順序，右表格表示的是經(jīng)過轉(zhuǎn)換過后的編碼存放順序。編碼轉(zhuǎn)換過程如圖1所示：

　　　　　　　　　　　圖1 編碼轉(zhuǎn)換

2.2 矩陣轉(zhuǎn)換移位算法

　　矩陣轉(zhuǎn)換移位算法目的就是如何把這些原始的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)據(jù), 以便把數(shù)據(jù)正確的輸入到74HC595。原始的數(shù)據(jù)必須要對其轉(zhuǎn)換。下面為它的算法實(shí)現(xiàn)。

for(m=0；m<8；m++)　　　　　　　//m表示的是第幾個(gè)LED

　　{? for(j=0；j<8；j++)　　　//j表示的是某個(gè)LED的第幾排數(shù)據(jù)

　　{? for(i=0；i<8；i++)　　　//i表示的是取某個(gè)LED的第某排數(shù)據(jù)的第幾位

　　{ displayport_a[m][j]|=((displaycode_a[i][m]&0x01)<

　　　　　　displaycode_a[i][m]=displaycode_a[i][m]>>1;

　　　　　　　　　　　　　　　// displayport_a[m][j]表示存放已轉(zhuǎn)換好數(shù)據(jù)

　　　　　　　　　　　　　　　// displaycode_a[i][m]表示存放的是原始數(shù)據(jù)

//‘|’表示相或，‘＆’表示相與，‘<<’表示左移

}

}

}

2.3 上位機(jī)和下位機(jī)的通信

　　上位機(jī)和下位機(jī)的通信主要是通過RS232接口進(jìn)行的，對于上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?600bps。為了便于數(shù)據(jù)的傳輸和接收，可以給要傳輸數(shù)據(jù)的前后加上標(biāo)志位。如果數(shù)據(jù)發(fā)送量大，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)還可采用線程的方式來發(fā)送。而下位機(jī)接收數(shù)據(jù)則可采用單片機(jī)內(nèi)全雙工的通用異步收發(fā)器(UART)來進(jìn)行。

　　UART有中斷和查詢兩種工作方式，UART初始化需要設(shè)置相關(guān)幾個(gè)控制寄存器，我們可以把UART幾個(gè)控制寄存器的初始化情況表示出來：

　　UCR = 0x00　設(shè)置波特率時(shí)要先關(guān)閉UART

　　UBRR = 0x33　設(shè)置波特率為9600bps

　　UCR = 0xD8　打開串口：8位數(shù)據(jù)

　　UART如何接收和發(fā)送數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器UDR完成。UDR雖然只有一個(gè)地址，但是在物理上分離了二個(gè)寄存器，一個(gè)用于發(fā)送，一個(gè)用于接收。對于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用中斷的方式，其中斷向量為12，即是interrupt handler uart0_rx_isr:12。接收和發(fā)送方式如下：

　　Receive=UDR　接收一個(gè)數(shù)據(jù)

　　UDR= Send　　發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)

2.4 顯示原理

　　要想點(diǎn)亮LED，必須把LED的位選數(shù)據(jù)信號置成低電平。顯示的過程如下：首先是將74HC595的RCK置0，再從相應(yīng)數(shù)組中取出要顯示的數(shù)據(jù)和位選信號，通過SCK的一個(gè)上升沿脈沖，就可以將這個(gè)數(shù)據(jù)輸入74HC595，等所有的數(shù)據(jù)打入相應(yīng)的芯片后最后再把RCK置1，這些數(shù)據(jù)就可以通過74HC595并行的傳輸出去。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　硬件總體框架的設(shè)計(jì)是根據(jù)上位機(jī)與下位機(jī)通信原理以及LED點(diǎn)陣顯示原理和74HC595的特性所構(gòu)成的。下面的圖2說明的是LED點(diǎn)陣顯示驅(qū)動(dòng)原理圖及其連線方式。

　　　　　　　　圖2　LED點(diǎn)陣顯示驅(qū)動(dòng)原理圖

　　PA、PB口將作為數(shù)據(jù)輸出口，一共連接16個(gè)8*8的LED。端口的每一個(gè)引腳將作為74HC595的數(shù)據(jù)輸入端。RCK、SCK的并聯(lián)的使用的目的是為了實(shí)現(xiàn)LED字符的同步顯示。在線路連接中Q`H必須連接SI，因?yàn)楦鶕?jù)74HC595的特性，如果輸入的數(shù)據(jù)數(shù)大于8，那么前面的數(shù)據(jù)將會(huì)被自動(dòng)溢出，根據(jù)這一思想就將兩個(gè)芯片連接起來，按照先輸入8位數(shù)據(jù)信號，再輸入8位位選信號的順序，那么正好前一個(gè)74HC595存放位選信息，后一個(gè)74HC595存放數(shù)據(jù)信息。

　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，得出如下圖3的軟件流程框架：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　　軟件流程框架

4 結(jié)論

　　對于目前這個(gè)顯示系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于電路實(shí)現(xiàn)簡單，成本較低。如果系統(tǒng)需要更大的字符顯示庫，只需要擴(kuò)展AVR的RAM或EEPROM，并且用多個(gè)AVR單片機(jī)進(jìn)行的通訊即可。當(dāng)然，這時(shí)需要注意數(shù)據(jù)寫入時(shí)間問題，以免造成顯示的不同步。

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