基于單片機(jī)IAP技術(shù)的LED顯示屏控制系統(tǒng)

摘要 在研究現(xiàn)有LED顯示屏電路的基礎(chǔ)上，提出一種基于IAP單片機(jī)傳送8位串行顯示數(shù)據(jù)的LED顯示控制系統(tǒng)。給出與基于該控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織方法相應(yīng)的硬件電路。以256×64點(diǎn)陣雙色LED顯示屏為例說(shuō)明其如何實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)給出相應(yīng)的軟件源程序；并對(duì)LED顯示屏的數(shù)據(jù)組織和硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行一些初步探討。
關(guān)鍵詞 LED顯示屏單片機(jī)IAP技術(shù)控制系統(tǒng)

    LED顯示屏由于其具有耗電少、使用壽命長(zhǎng)、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，已經(jīng)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(diǎn)是，亮度高、成本低且屏幕尺寸可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況用標(biāo)準(zhǔn)LED單元板拼制。按安裝位置可分為室外、半室外和室內(nèi)；按顏色可分為單色、雙基色和彩色；按發(fā)光二極管點(diǎn)距可分為φ5．0、φ3．75及φ3．0等。本文以市場(chǎng)上常見(jiàn)的室內(nèi)雙色LED單元板為控制對(duì)象，說(shuō)明基于單片機(jī)IAP技術(shù)的LED顯示屏控制系統(tǒng)工作原理以及數(shù)據(jù)組織方法。

1 雙色LED單元板硬件組成及工作原理
    常見(jiàn)的室內(nèi)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(gòu)成的4—16譯碼器加上多個(gè)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(shí)現(xiàn)紅色、綠色顯示數(shù)據(jù)的列輸入，在圖1(a)所示的64×32標(biāo)準(zhǔn)LED單元板中，每組串行移位寄存器中有8個(gè)74HC595級(jí)聯(lián)，4組共用了32個(gè)74HC595。74HC595內(nèi)部電路框圖如圖1(b)所示。所有4組74HC595的控制信號(hào)RCK、SCK、EN全部接在一起。74HC595的控制信號(hào)和4組串行移位寄存器的輸入以及行掃描控制信號(hào)A、B、C、D構(gòu)成整個(gè)LED單元板的輸入；74HC595的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)后和4組串行移位寄存器的輸出以及行經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)的掃描控制信號(hào)A、B、C、D構(gòu)成整個(gè)LED單元板的輸出，用于級(jí)聯(lián)下一個(gè)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(gè)普通的單片機(jī)簡(jiǎn)單應(yīng)用，實(shí)際上在設(shè)計(jì)此系統(tǒng)時(shí)已經(jīng)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(jī)的前提下，用其串行口方式O似乎可以利用單片機(jī)發(fā)出的移位脈沖將8位數(shù)據(jù)送入74HC595中，但要實(shí)現(xiàn)圖2中8位數(shù)據(jù)的同時(shí)輸入必須加其他的輔助芯片，而且在縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間上沒(méi)有什么好處。其次，采用FPGA、CPLD等可編程芯片設(shè)計(jì)成專(zhuān)用硬件電路與單片機(jī)接口可大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，但成本也將同步大幅度提高?BR>    在圖2所示的系統(tǒng)中采用了以下的設(shè)計(jì)理念：①由P0口同步輸出8位字型點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。②用P3．6產(chǎn)生SCK信號(hào)，軟件中相應(yīng)使用“MOVX@R0，A”指令，在形成SCK信號(hào)的同時(shí)減少指令的字節(jié)數(shù)。③由P2．0至P2．3輸出行掃描信號(hào)，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(jī)的串行口與PC機(jī)通信。利用該單片機(jī)的IAP功能下載顯示所需的字型數(shù)據(jù)和控制程序。
3 LED顯示控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織及軟件優(yōu)化
    LED顯示控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(guò)去顯示行與顯示數(shù)據(jù)位以及顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了提高數(shù)據(jù)的讀取速度，將顯示數(shù)據(jù)按掃描行進(jìn)行連續(xù)排列，可得到圖3(b)所示的存儲(chǔ)單元與掃描行、存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)位及顏色的關(guān)系。

    具體編程時(shí)可按下列步驟進(jìn)行：①將準(zhǔn)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(yīng)存儲(chǔ)單元的首地址。③以DPTR為指針，使用“MOXCA，@A+DPTR”讀顯示數(shù)據(jù)，并將顯示數(shù)據(jù)送P0口。④通過(guò)P3．6產(chǎn)生SCK，同時(shí)DPTR加1。⑤重復(fù)②、③、④直到一行數(shù)據(jù)顯示完畢，通過(guò)P3．4產(chǎn)生RCK將通過(guò)移位寄存器移入的一行數(shù)據(jù)顯示。⑥重復(fù)②、③、④、⑤直到15行數(shù)據(jù)全部顯示完畢。⑦重復(fù)①～⑥刷新顯示。
    根據(jù)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(shù)據(jù)共需lO個(gè)機(jī)器周期，機(jī)器碼的字節(jié)數(shù)為11。通過(guò)分析74HC595的SCK為上升沿有效，可用單片機(jī)的寫(xiě)信號(hào)(WR)來(lái)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(lái)替換，實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)所需機(jī)器周期減為9，機(jī)器碼的字節(jié)數(shù)減為6。再對(duì)顯示第i行的子程序2仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，在僅使用SST89E516內(nèi)部64 KB的Flash存儲(chǔ)器作為顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)機(jī)器周期2字節(jié)指令，可以利用SST89E516內(nèi)部64 KB的Flash存儲(chǔ)器大的特點(diǎn)，直接簡(jiǎn)單的重復(fù)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(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。這樣送1字節(jié)的機(jī)器周期可以減少為7，但程序需要增加l KB。對(duì)64 KB的F1ash存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，程序增加1 KB減少不了多少顯示數(shù)據(jù)。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(gè)機(jī)器周期為O．5μs，在忽略其他數(shù)據(jù)處理時(shí)間的前提下，顯示l屏完整數(shù)據(jù)所需時(shí)間近似為：(7×O．5μs×256列×16行)=14．336 ms(每秒近70幀)。實(shí)驗(yàn)表明：人眼對(duì)LED顯示屏開(kāi)始感覺(jué)到閃爍大約為每秒55幀，即每幀時(shí)間18 ms。從圖2、圖1(c)和3個(gè)子程序可以看出，一幀顯示數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的排列有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①按掃描行掃描的先后順序依次排列；②在每一行按數(shù)據(jù)輸出的先后順序依次排列；③通過(guò)硬件和軟件的優(yōu)化使每個(gè)顯示數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間最短。

4 基于IAP功能的顯示數(shù)據(jù)傳送及PC軟件編程
    SST89E516單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)IAP(In Application Programming)是由于它將Flash存儲(chǔ)器分為2個(gè)塊(區(qū)域)：block0(64 KB)和blockl(8 KB)。通過(guò)IAP指令的切換可以使程序在這2個(gè)塊中執(zhí)行，如程序在block0中運(yùn)行可對(duì)bleckl的數(shù)據(jù)進(jìn)行改寫(xiě)，同樣在block1中運(yùn)行可對(duì)b1ock0的數(shù)據(jù)進(jìn)行改寫(xiě)。具體使用IAP功能時(shí)對(duì)SST89E516單片機(jī)的2個(gè)塊作如下分配：①上電或復(fù)位時(shí)自動(dòng)運(yùn)行block1中的IAP程序，如2s內(nèi)沒(méi)有接收到PC機(jī)通過(guò)串行口發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸指令，則開(kāi)始運(yùn)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(shù)據(jù)。③在blockO中運(yùn)行IAP程序時(shí)利用SST89E516單片機(jī)128字節(jié)的小扇區(qū)擦除功能只擦除和改寫(xiě)blockO中56 KB 用于存放顯示數(shù)據(jù)的區(qū)域，8KB存放顯示程序的區(qū)域保持不變。④在block0運(yùn)行顯示程序時(shí)單片機(jī)串行口監(jiān)測(cè)來(lái)自PC機(jī)的復(fù)位命令，如有復(fù)位命令執(zhí)行IAP指令使程序轉(zhuǎn)移到block1塊并運(yùn)行blockl中的IAP程序修改顯示數(shù)據(jù)。
    PC軟件編程采用VB。該程序可完成字型的提取以及顯示數(shù)據(jù)的組織，生成Intel格式的HEX文件，通過(guò)串行口下載到SST89E516單片機(jī)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(shù)表(7字節(jié))]，各種不同顯示效果所需的參數(shù)，如起始地址、結(jié)束地址、每行的長(zhǎng)度及顯示時(shí)間等，指定其存放指令的參數(shù)表中。顯示指令集存放在顯示數(shù)據(jù)區(qū)的最開(kāi)始l頁(yè)256個(gè)存儲(chǔ)單元中，底層單片機(jī)運(yùn)行時(shí)根據(jù)顯示指令可實(shí)現(xiàn)不同的顯示效果，如畫(huà)面的切換、定時(shí)、水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)以及其他特殊顯示效果。同樣可通過(guò)IAP下載顯示程序。

結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)大量的實(shí)踐檢驗(yàn)，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(dá)數(shù)十個(gè)，最長(zhǎng)的已經(jīng)運(yùn)行了3年以上。在運(yùn)行過(guò)程中也對(duì)該控制系統(tǒng)作了多方面的改進(jìn)。例如，為了進(jìn)一步提高顯示速度可擴(kuò)展外部RAM，即在子程序3的基礎(chǔ)上去掉“CLR A”指令，使機(jī)器周期減為6個(gè)；采用指令為1個(gè)機(jī)器周期的單片機(jī)并提高晶振頻率；利用有些51單片機(jī)(如DS89C450)具有DPTR自動(dòng)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(jìn)的措施都是以增加外部輔助電路或成本為代價(jià)的。本控制系統(tǒng)的價(jià)格按市價(jià)不超過(guò)30元，因此其在小型LED顯示控制系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。