P9816驅(qū)動的護(hù)欄管顯示與控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了護(hù)欄管顯示與控制系統(tǒng)，給出了它們的硬件電路圖。結(jié)合驅(qū)動芯片P9816的通信協(xié)議，編寫了相應(yīng)程序來控制護(hù)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(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送入護(hù)欄管，護(hù)欄管即可顯示豐富多彩的內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：護(hù)欄管；P9816；通信協(xié)議；SD卡

引言
    護(hù)欄管廣泛應(yīng)用于樓體墻面、公園、娛樂場所等地方。護(hù)欄管串聯(lián)而成的霓虹燈以及建筑物周圍用護(hù)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(qiáng)，能見度高，是一種比較理想的實用顯示屏幕。護(hù)欄管組成的電子產(chǎn)品一直受到人們的喜愛，故障率低、易維護(hù)、容易升級更新、開發(fā)成本相對較低。本文設(shè)計的護(hù)欄管顯示控制系統(tǒng)，簡單易操作，有很強(qiáng)的靈活性，具有廣闊的市場前景。
    目前市場上有多種LED護(hù)欄管以及護(hù)欄管驅(qū)動芯片，本系統(tǒng)選用P9816芯片來驅(qū)動護(hù)欄管。比較常見的護(hù)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(hù)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(hù)欄管硬件電路設(shè)計
    6段護(hù)欄管即一根護(hù)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(lán)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(hù)欄管可以達(dá)到非常好的混色效果。根據(jù)用戶的需要，把護(hù)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(cè)；也可以把若干護(hù)欄管組合成屏幕，顯示各種信息。護(hù)欄管級聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)包括控制器部分以及護(hù)欄管顯示部分。每一根護(hù)欄管上有一個P9816驅(qū)動芯片，采用24 V直流穩(wěn)壓電源(電源1)對護(hù)欄管上的發(fā)光二極管供電，通過電源電路把24 V電壓轉(zhuǎn)變成5 V(電源2)對單片機(jī)STC89C52和P9816驅(qū)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(nèi)容并將數(shù)據(jù)送入護(hù)欄管顯示。本系統(tǒng)選用了高集成度的芯片，如單片機(jī)STC89C52、74HC245、P9816驅(qū)動芯片，硬件電路比較簡潔，便于設(shè)計和制作，方便實驗。
1．1 LED護(hù)欄管顯示設(shè)計
    護(hù)欄管顯示部分包括P9816驅(qū)動電路、LED護(hù)欄管發(fā)光電路以及電源電路3部分。
1．1．1 P9816驅(qū)動電路設(shè)計
    P9816作為護(hù)欄管的驅(qū)動芯片有以下優(yōu)點：
    ①它是一款全彩點光源LED驅(qū)動芯片，采用CMOS工藝，提供9路恒流驅(qū)動及256級灰度調(diào)制輸出；使用1／2分頻技術(shù)，使1片IC能控制6個像素點，用于驅(qū)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(jìn)行脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)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(qiáng)。
    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(dá)1 024個。
    由此可見P9816是一種比較理想的LED護(hù)欄管驅(qū)動芯片。本文考慮到設(shè)計的復(fù)雜性和現(xiàn)有的軟硬件沒備，決定使用單一控制器對LED護(hù)欄管進(jìn)行控制，在以后產(chǎn)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(qū)動芯片供電即可正常工作，P9816驅(qū)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(hù)欄管有6段。需要設(shè)計一個電路，當(dāng)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(hù)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(dāng)SEL為高電平時，Q1導(dǎo)通，Q4的基極為低電平，從而使Q4導(dǎo)通；同時，Q2導(dǎo)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(guān)特性通過DA、DB的高低電平不同來實現(xiàn)分時控制。[!--empirenews.page--]
1．1．2 LED護(hù)欄管電路設(shè)計
    P9816提供電流驅(qū)動，每路驅(qū)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(hù)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(dǎo)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(lán)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(jìn)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(shè)計要求；綠色和藍(lán)色發(fā)光二極管的管壓降幾乎相同，因此綠色和藍(lán)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(jīng)過實驗測試，設(shè)計的電路系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，紅、綠、藍(lán)發(fā)光二極管可以正常發(fā)光，初步實現(xiàn)了預(yù)期效果。

1．1．3 電源電路設(shè)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(dāng)只提供24 V電源時，需要設(shè)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(jīng)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(shè)計方案。
1．2 MCU控制器電路設(shè)計
    控制器部分有STC89C52單片機(jī)、SD卡電路、74HC245驅(qū)動電路、電源以及液晶顯示5部分?？刂破鞑糠值恼w結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

    選用STC89C52單片機(jī)作為控制器，它是一款高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)。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(dá)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(jī)的內(nèi)部資源得到最大限度的利用。
    利用74HC245總線驅(qū)動器，提高電路的帶負(fù)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(dǎo)通，只有為“0”時A／B端才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)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。[!--empirenews.page--]

    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(hù)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(fù)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(hù)欄管軟件設(shè)計
   本系統(tǒng)很容易實現(xiàn)STC89C52單片機(jī)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(biāo)志位為2個“1”。校驗數(shù)據(jù)“B7”與“B6”為藍(lán)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(lán)綠紅順序。
    將已經(jīng)包含效果文件的SD卡放入MCU控制器的卡槽中，當(dāng)要求護(hù)欄管顯示內(nèi)容時，可以直接打開開關(guān)。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(yùn)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(hù)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(hù)欄管的灰度數(shù)據(jù)。
    STC89C52單片機(jī)中的程序和SD卡中的數(shù)據(jù)是嚴(yán)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到護(hù)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(jié)構(gòu)簡單，思路明確，系統(tǒng)程序流程圖如圖9所示。

結(jié)語
    本系統(tǒng)設(shè)計制作的護(hù)欄管完成了預(yù)期目標(biāo)，軟硬件相結(jié)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(hù)欄管實物圖。本文設(shè)計的護(hù)欄管顯示控制系統(tǒng)，成本低、應(yīng)用靈活、硬件電路設(shè)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(yīng)用前景。