基于單片機IAP技術的LED顯示屏控制系統(tǒng)
關鍵詞 LED顯示屏單片機IAP技術控制系統(tǒng)
LED顯示屏由于其具有耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠等特點，已經成為新一代的信息傳播媒體工具。LED與LCD相比較最突出的特點是，亮度高、成本低且屏幕尺寸可根據現場情況用標準LED單元板拼制。按安裝位置可分為室外、半室外和室內；按顏色可分為單色、雙基色和彩色；按發(fā)光二極管點距可分為φ5．0、φ3．75及φ3．0等。本文以市場上常見的室內雙色LED單元板為控制對象，說明基于單片機IAP技術的LED顯示屏控制系統(tǒng)工作原理以及數據組織方法。
1 雙色LED單元板硬件組成及工作原理
常見的室內雙色LED單元板電路框圖如圖1(a)所示。其中行掃描電路由2片74HCl38(3—8譯碼器)構成的4—16譯碼器加上多個4953(MOS管)組成的，掃描方式為1／16。上下半屏分別由2組用74HC595串行移位寄存器實現紅色、綠色顯示數據的列輸入，在圖1(a)所示的64×32標準LED單元板中，每組串行移位寄存器中有8個74HC595級聯，4組共用了32個74HC595。74HC595內部電路框圖如圖1(b)所示。所有4組74HC595的控制信號RCK、SCK、EN全部接在一起。74HC595的控制信號和4組串行移位寄存器的輸入以及行掃描控制信號A、B、C、D構成整個LED單元板的輸入；74HC595的控制信號經驅動后和4組串行移位寄存器的輸出以及行經過驅動的掃描控制信號A、B、C、D構成整個LED單元板的輸出，用于級聯下一個LED單元板的輸入。雙色LED單元板等效電路框圖如圖1(c)所示。
2 LED顯示控制系統(tǒng)的硬件組成及工作原理
LED顯示控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。從表面上看是一個普通的單片機簡單應用，實際上在設計此系統(tǒng)時已經考慮了很多硬件、軟件及硬軟件配合的因素。首先在使用51單片機的前提下，用其串行口方式O似乎可以利用單片機發(fā)出的移位脈沖將8位數據送入74HC595中，但要實現圖2中8位數據的同時輸入必須加其他的輔助芯片，而且在縮短數據傳輸時間上沒有什么好處。其次，采用FPGA、CPLD等可編程芯片設計成專用硬件電路與單片機接口可大幅度提高數據傳輸的速度，但成本也將同步大幅度提高。
在圖2所示的系統(tǒng)中采用了以下的設計理念：①由P0口同步輸出8位字型點陣數據。②用P3．6產生SCK信號，軟件中相應使用“MOVX@R0，A”指令，在形成SCK信號的同時減少指令的字節(jié)數。③由P2．0至P2．3輸出行掃描信號，軟件中將A、B、C、D存放在DPH的低4位中。④RCK和EN分別由P3．4、P3．5控制。⑤SST89E516單片機的串行口與PC機通信。利用該單片機的IAP功能下載顯示所需的字型數據和控制程序。
3 LED顯示控制系統(tǒng)的數據組織及軟件優(yōu)化
LED顯示控制系統(tǒng)的數據組織如圖3所示。從圖2可以得到圖3(a)所示的從正面看過去顯示行與顯示數據位以及顏色的對應關系。為了提高數據的讀取速度，將顯示數據按掃描行進行連續(xù)排列，可得到圖3(b)所示的存儲單元與掃描行、存儲單元數據位及顏色的關系。
具體編程時可按下列步驟進行：①將準備掃描的行地址送P2口的低4位中。②將DPTR指向待顯示行相應存儲單元的首地址。③以DPTR為指針，使用“MOXCA，@A+DPTR”讀顯示數據，并將顯示數據送P0口。④通過P3．6產生SCK，同時DPTR加1。⑤重復②、③、④直到一行數據顯示完畢，通過P3．4產生RCK將通過移位寄存器移入的一行數據顯示。⑥重復②、③、④、⑤直到15行數據全部顯示完畢。⑦重復①～⑥刷新顯示。
根據上述編程步驟，可以很容易編出顯示第i行的子程序l。子程序1的第3行至第9行為循環(huán)體，送1字節(jié)的顯示數據共需lO個機器周期，機器碼的字節(jié)數為11。通過分析74HC595的SCK為上升沿有效，可用單片機的寫信號(WR)來代替，故子程序l中的第5、6、7行3條指令可用“MOVX@R0，A”一條指令來替換，實驗表明這樣的替換是可靠的。顯示第i行的子程序2為替換后的程序，送l字節(jié)的顯示數據所需機器周期減為9，機器碼的字節(jié)數減為6。再對顯示第i行的子程序2仔細分析后發(fā)現，在僅使用SST89E516內部64 KB的Flash存儲器作為顯示數據存儲且不增加輔助電路的前提下，只有子程序2第7行“DJNZ RO，DP1”這條2個機器周期2字節(jié)指令，可以利用SST89E516內部64 KB的Flash存儲器大的特點，直接簡單的重復256次子程序2中第3、4、5、6行4條單字節(jié)指令，從而可以縮短2個機器周期的時間。這樣送1字節(jié)的機器周期可以減少為7，但程序需要增加l KB。對64 KB的F1ash存儲器來說，程序增加1 KB減少不了多少顯示數據。與子程序1相比，子程序3速度提高了30％。在圖2所示12 MHz晶振并利用SST89E516的倍速功能，其1個機器周期為O．5μs，在忽略其他數據處理時間的前提下，顯示l屏完整數據所需時間近似為：(7×O．5μs×256列×16行)=14．336 ms(每秒近70幀)。實驗表明：人眼對LED顯示屏開始感覺到閃爍大約為每秒55幀，即每幀時間18 ms。從圖2、圖1(c)和3個子程序可以看出，一幀顯示數據在內存中的排列有以下幾個特點：①按掃描行掃描的先后順序依次排列；②在每一行按數據輸出的先后順序依次排列；③通過硬件和軟件的優(yōu)化使每個顯示數據輸出的時間最短。
4 基于IAP功能的顯示數據傳送及PC軟件編程
SST89E516單片機可以實現IAP(In Application Programming)是由于它將Flash存儲器分為2個塊(區(qū)域)：block0(64 KB)和blockl(8 KB)。通過IAP指令的切換可以使程序在這2個塊中執(zhí)行，如程序在block0中運行可對bleckl的數據進行改寫，同樣在block1中運行可對b1ock0的數據進行改寫。具體使用IAP功能時對SST89E516單片機的2個塊作如下分配：①上電或復位時自動運行block1中的IAP程序，如2s內沒有接收到PC機通過串行口發(fā)送的數據傳輸指令，則開始運行blockO中的顯示程序。②block0中的最低8 KB用于存放顯示程序，其余56 KB用于存放顯示數據。③在blockO中運行IAP程序時利用SST89E516單片機128字節(jié)的小扇區(qū)擦除功能只擦除和改寫blockO中56 KB 用于存放顯示數據的區(qū)域，8KB存放顯示程序的區(qū)域保持不變。④在block0運行顯示程序時單片機串行口監(jiān)測來自PC機的復位命令，如有復位命令執(zhí)行IAP指令使程序轉移到block1塊并運行blockl中的IAP程序修改顯示數據。
PC軟件編程采用VB。該程序可完成字型的提取以及顯示數據的組織，生成Intel格式的HEX文件，通過串行口下載到SST89E516單片機中。為了方便控制，自定義了8字節(jié)的顯示指令集[命令(1字節(jié))+參數表(7字節(jié))]，各種不同顯示效果所需的參數，如起始地址、結束地址、每行的長度及顯示時間等，指定其存放指令的參數表中。顯示指令集存放在顯示數據區(qū)的最開始l頁256個存儲單元中，底層單片機運行時根據顯示指令可實現不同的顯示效果，如畫面的切換、定時、水平移動、垂直移動以及其他特殊顯示效果。同樣可通過IAP下載顯示程序。
結語
通過大量的實踐檢驗，本控制系統(tǒng)是非?？煽康?，利用該控制系統(tǒng)制作的小型LED顯示屏已達數十個，最長的已經運行了3年以上。在運行過程中也對該控制系統(tǒng)作了多方面的改進。例如，為了進一步提高顯示速度可擴展外部RAM，即在子程序3的基礎上去掉“CLR A”指令，使機器周期減為6個；采用指令為1個機器周期的單片機并提高晶振頻率；利用有些51單片機(如DS89C450)具有DPTR自動加1的功能；外加用CPLD制成的硬件地址發(fā)生器等。但所有改進的措施都是以增加外部輔助電路或成本為代價的。本控制系統(tǒng)的價格按市價不超過30元，因此其在小型LED顯示控制系統(tǒng)中有著廣闊的應用前景。
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