基于单片机的LED显示屏硬件设计方案

基于单片机的LED显示屏硬件设计方案,第1张

  自上世纪90 年代以来, 随着LED 显示技术设计制造水平的不断提高,LED 数字屏逐渐在生产和生活中大量使用,LED 数字屏以其特有的显示介质, 在大面积, 全天候, 高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED 显示技术发展的十几年中, 新器件和新技术不断采用, 制造成本逐渐降低, 生产分工不断细化, 但大量应用的同时也暴露出LED 显示技术的若干缺陷, 总体上技术尚未成熟, 标准尚未完全建立, 有许多方面值得进行更深入的研究与改进。

  随着大规模集成电路的迅猛发展, 微处理器的运算、控制能力大大增加, 单片计算机已在很多工业及民用系统中承担智能化的任务, 与迅猛发展的运算速度相比, 其端口扩展能力则逊色得多( 数目有限且扩展困难), 因此研发过程中不得不在节省端口上投入大量精力, 目前国内为解决端口扩展问题可采用软件处理的方式,这样加重了软件编写的难度,或采用扩展端口的专用芯片。这两种方法将引起软件成本的提高或硬件电路复杂度的提高,不利于一些小型系统的研发,STC12C5A60S2单片机具有多种串行传输模式, 在一定程度上解决了这个矛盾。

  LED 数字屏应用非常广泛, 不仅能显示文字, 还能显示各种图形、图表, 甚至各种动画效果, 是广告宣传、新闻传播的有力工具

  本文采用STC12C5A60S2 单片机接口NAND 闪存和上位PC 机,实现了对16×128 点阵LED 数字屏的控制。

  1 芯片选型

  1.1 屏体

  由于屏体是商业成品, 因此系统芯片的选型首选为能与屏体配合的芯片。屏体自备电源, 能直接将蓄电池的能量转变为5 V 的直流电源, 并且这个电源也通过屏体的接口电缆输出到系统板上。因此系统可直接引用该电源, 不必自备电源电路。

  1.2 单片机

  综合考虑屏体和系统需求, 选用国内宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T) 的单片机STC12C5A60S2。

  STC12C5A60S2 是新一代高速8051 单片机, 其指令代码完全兼容传统8051, 但速度快8~12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路, 其工作电压范围是3.5 V~5.5 V,满足要求的电压。由于是单周期的8051 ( 传统8051 是12 周期), 可选择较易于获得准确波特率的11.059 2 MHz晶振, 而不必担心工作速度降低。

  STC12C5A60S2 有60 KB 的用户应用程序空间,256 B的RAM 和1024 B 的XRAM.能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另有与程序存储空间独立的一片闪存区域, 可在应用编程中作EEPROM 使用。

  STC12C5A60S2 有4 个16 bit 定时器和一个独立的波特率发生器, 另外还有两个PCA 模块, 能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S2 有PDIP-40 封装的芯片, 易于快速进入实验。

  1.3 闪存

  因为16 ×16 点阵的汉字库容量在250 KB 左右, 而MCS51 的寻址空间只有64 KB.接口大于64 KB 容量的普通存储芯片就必须进行总线扩展, 采用两次锁存地址的方法来读写, 既需要复杂的电路, 又占用较长的存取时间。同样,NOR 闪存与EPROM 的引脚结构相类似, 有同样的接口复杂性, 成本也十分高。要实现单片机与字库芯片的简单接口( 不需扩展) , 只能选用串行结构的存储器或命令、地址和数据复用总线结构的存储器。

  串行结构的存储器多为EEPROM, 没有很大的容量, 不适合做字库芯片。因此只有选用命令、地址和数据复用总线的NAND 闪存作为字库存储芯片。

  字库所需的容量不大, 但最好能5 V 供电, 且编程的缓存要求较小的芯片。SAMSUNG 公司出品的K9F4008W 是一款512 KB 的NAND 闪存, 仅有8 个IO端口, 且工作电压范围较广(3 V~5.5 V), 可以兼容3 V 和5 V 的硬件系统, 并且帧编程时仅需要32 B 的缓冲, 正适合作为字库存储的芯片。

  因此, 闪存芯片的可电擦写特性页非常适用于需要更换字库的场合。故该芯片是十分理想的汉字库存储器。

  2 电路设计

  根据系统整体结构设计的电路的原理图如图1 所示。

  基于单片机的LED显示屏硬件设计方案,系统电路原理图,第2张

  3 总体设计

  3.1 屏体接口模块

  屏体接口包括屏体接口头文件、屏幕缓冲区的定义、屏体接口初始化、刷新定时器中断服务程序和SPI中断服务程序几个部分。

  屏体接口的头文件screen.h 应该使屏幕缓冲区对其他应用可见, 并提供屏体初始化函数。具体定义如下:

  #ifndef _SCREEN_H_

  #define _SCREEN_H_

  #include “inc\board.h”

  extern u8 xdata SCR_BUF[16][16];

  void screen_init(void);

  #endif

  这样就把屏幕缓冲区的结构暴露给应用, 但应用不必关心具体的屏幕刷新 *** 作。

  具体屏体接口的实现集中在一个文件screen.c 中定义。具体如下:

  首先是屏幕缓冲区定义:

  u8 xdata SCR_BUF[16][16]_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes其次是当前显示行和输出列变量定义, 属于静态变量, 应用程序不可见。

  staTIc u8 data row,col;

  然后是屏幕初始化, 包括刷新定时器0 的初始化、SPI 的初始化、锁存bLatch 信号的初始化、屏幕缓冲区的初始清零以及定时器和SPI 中断的优先权和使能位的初始化代码略。

  SPI 和定时器0 的中断服务程序是屏体接口的关键。

  定时器0 的中断服务程序首先进行扫描行增量取模运算,并将扫描行输出。然后依据扫描行取出屏幕缓冲区对应行的第一个字节发送到SPI 端口。同时列增量。

  void display_ONe_screen(void)interrupt 1 using 3{

  row = (++row)&0x0f;

  P0 = (P0 & 0xf0)|((~row)& 0xf);

  col = 0;SPDAT = ~SCR_BUF[row][col++];

  }

  这样编写的屏体驱动, 应用只要在初始化屏体后,向屏幕缓冲区中写入要显示的数据即可, 而不必关心屏幕显示的细节。

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