徐振方 孟艷花 王艷

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450007)

1 引言

LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息傳播媒體，是集微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示系統(tǒng)。它以其色彩鮮艷、動態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長、工作性能穩(wěn)定而日漸成為顯示媒體中的佼佼者，廣泛應(yīng)用于廣告、證券、信息傳播、新聞發(fā)布等方面，是目前國際上較為先進(jìn)的宣傳顯示媒體［1］。本文提出了一種主從式單片機(jī)的LED顯示屏解決方案，該設(shè)計(jì)方案利用 AVR單片機(jī)自身的FLASH ROM和 RAM，外部無需任何存儲電路，電路結(jié)構(gòu)簡單。

2 系統(tǒng)的工作原理及總體方案設(shè)計(jì)

2.1 AVR單片機(jī)

AVR單片機(jī)是增強(qiáng)型內(nèi)置 FLASH的 RISC(ReducedInstruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機(jī)，硬件采用哈佛 (Harward)結(jié)構(gòu)，達(dá)到一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令。支持在系統(tǒng)編程ISP，其中 MEGA系列還支持在應(yīng)用編程 IAP。內(nèi)置的FLASH程序存儲器可擦寫1000次以上，給用戶的開發(fā)生產(chǎn)和維護(hù)帶來方便?？刹翆?0萬次E PROM，為掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來方便［2，3］。AVR單片機(jī)有豐富的片內(nèi)資源，如 RTC、WATCHDOG、A/D轉(zhuǎn) 換 器、PWM 、USART、SPI、TWI接口等，I/O口功能強(qiáng)、驅(qū)動能力強(qiáng)。

2.2 系統(tǒng)的工作原理

本設(shè)計(jì)采用AVR系列單片機(jī)ATMEGA16作為主控制器，以DS1302時(shí)鐘芯片和16M的外置晶振提供準(zhǔn)確時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、很方便的現(xiàn)實(shí)和校準(zhǔn)時(shí)間。ATMEGA32的內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。［4］采用74HC245存儲器作為信號功率放大。通過2片74HC595移位寄存器實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的播放格式，ATMEGA32卡內(nèi)帶32MFLASH，用戶可用專用上位機(jī)軟件對要顯示的內(nèi)容按照預(yù)定的顯示格式進(jìn)行編輯后，通過RS485或RS232接口，向顯示屏控制卡發(fā)送。發(fā)送結(jié)束后，控制卡可以脫開計(jì)算機(jī)，自動按照用戶設(shè)定的模式顯示所輸入的內(nèi)容，從而通過LED顯示屏來顯示你所需要的內(nèi)容。直到下一次數(shù)據(jù)更新，所顯示的內(nèi)容一直保持。

2.3 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、RS-232通訊電路、控制電路和LED點(diǎn)陣顯示電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)完成把圖像和文字轉(zhuǎn)換成為顯示屏的顯示碼，并且把顯示信息發(fā)通過RS232送到控制電路上。控制電路選用具有32KB片內(nèi)FLASH ROM和2 KB片內(nèi)RAM的AT2mega32單片機(jī)，沒有外掛存儲器。如果要存儲更多的顯示信息，可以選用具有64 KB片內(nèi) FLASH ROM的 AT2mega64或者具有128 kB片內(nèi) FLASH ROM的 AT2mega128，也可以外掛存儲器來增大存儲能力。［5、6］控制電路主要完成對顯示數(shù)據(jù)的滾動和分割處理，然后通過異步串行口發(fā)送到每個(gè)單元板中。每塊單元板用16×32單色點(diǎn)陣塊拼成的點(diǎn)陣屏，控制電路更新顯示單元板的顯示內(nèi)容時(shí)，對所有單元板按地址逐個(gè)發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，更新完所有子模塊數(shù)據(jù)后，再發(fā)送一個(gè)特殊的地址字0xFF作為控制字，使所單元板同時(shí)更新顯示數(shù)據(jù)，這樣可以避免當(dāng)屏幕較大，單元板數(shù)量較多時(shí)各子模塊畫面更新不同步的問題。對本設(shè)計(jì)中完成的2×10個(gè)單元板而言，由于通訊速率限制，畫面更新速度最高可達(dá)56800/(129×24+1)=18134幀/s，由于主控制電路還要完成全屏數(shù)據(jù)的分割和顯示內(nèi)容的移動控制，所以其實(shí)際幀數(shù)低于上述值，不過用于普通的圖片顯示已經(jīng)可以達(dá)到要求。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器的選擇

Atmega32是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，Atmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。［7］

Atmega32有32K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即 RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。［8］

3.2 單元板顯示電路

單元顯示驅(qū)動電路由RS232轉(zhuǎn)換電路、子模塊地址標(biāo)識電路和點(diǎn)陣驅(qū)動電路組成。RS232轉(zhuǎn)換電路和主機(jī)板中一樣，同樣采用 MAX485作電平轉(zhuǎn)換。［9］由于采用單片機(jī)的異步串行口進(jìn)行多機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單元模塊應(yīng)該有和其位置相對應(yīng)的地址標(biāo)識地址標(biāo)識電路采用8位并進(jìn)串出芯片74HC595和8位撥碼開關(guān)組成，因此本系統(tǒng)最多可以容納255個(gè)子模塊 (地址0xFF作為更新子模塊顯示的控制字)。

LED點(diǎn)陣采用動態(tài)掃描法進(jìn)行驅(qū)動，并且實(shí)現(xiàn)16階灰度顯示，為了節(jié)省單片機(jī)程序中掃描程序的時(shí)間消耗，提高掃描速度，顯示數(shù)據(jù)采用并行輸出的方法。驅(qū)動電路采用譯碼器 74HC138和74HC245，分別實(shí)現(xiàn)行選和位選。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩部分。

上位機(jī)軟件完成圖像和文字的編輯，通過計(jì)算機(jī)串行接口把顯示數(shù)據(jù)傳送到控制卡上。控制卡接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)并通過內(nèi)部Boot Loader區(qū)的程序進(jìn)行FLASH ROM內(nèi)顯示數(shù)據(jù)的自更新。［10］控制卡把顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理后發(fā)送給每個(gè)單元板，并且完成顯示數(shù)據(jù)不同方式處理。

4.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)分為兩大功能塊:顯示部分和通信部分。顯示部分采用動態(tài)掃描的方式，實(shí)現(xiàn)對顯示屏要顯示的漢字、圖象、字符等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸控制以及顯示等功能。與PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信部分主要是利用單片機(jī)串口中斷接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳輸。程序可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，可非常方便地任意修改所要顯示的漢字、圖像等;并使顯示屏可按你選擇顯示方式進(jìn)行漢字或表格顯示。設(shè)計(jì)程序的流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、顯示子程序和串口中斷服務(wù)程序。主程序?yàn)轫樞蚪Y(jié)構(gòu)，完成堆棧、中斷、串口的初始化設(shè)置后，循環(huán)調(diào)用顯示子程序，以及響應(yīng)串行接收或發(fā)送中斷指令;顯示子程序從顯示緩沖區(qū)取出字模，輸出行選通信號至P0口并通過一個(gè)通用邏輯陣列74HC00D輸出，配合列掃描信號，進(jìn)行動態(tài)掃描顯示;中斷服務(wù)程序串口接收PC機(jī)發(fā)送的漢字機(jī)內(nèi)碼數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通信。［11，12］程序各部分的功能，由各個(gè)模塊分別實(shí)現(xiàn)。程序模塊有:串口初始化模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、漢字首地址計(jì)算模塊、取字模塊、顯示模塊和移動模塊。系統(tǒng)顯示流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)顯示流程圖

4.2 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用可視化編程工具Visual Basic.NET開發(fā)，主要完成圖像的取點(diǎn)、線性補(bǔ)償和點(diǎn)陣數(shù)據(jù)生成。首先將圖像文件轉(zhuǎn)換為96×64分辨率、256階色深的單色灰度圖像，由于使用占空比驅(qū)動的LED其占空比/亮度為對數(shù)特性，所以需加入指數(shù)特性調(diào)整為線性之后才能交付顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。通過 MSComm控件實(shí)現(xiàn) PC機(jī)與單元板的通信。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)主界面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)著重于對單色屏的研究，對于灰度不同的真彩色LED顯示屏的設(shè)計(jì)以及設(shè)備的驅(qū)動，有待于進(jìn)一步的學(xué)習(xí)探討。而且本設(shè)計(jì)所用的控制卡只能控制顯示屏的單色顯示，如果能顯示雙色，甚至三色那就更方便了。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像，不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。LED甚至可以在信息指示燈、大屏幕顯示、液晶顯示 (LCD)的背照明等新技術(shù)中應(yīng)用。它是未來智能交通系統(tǒng)的顯示手段之一。

由于LED顯示屏的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及應(yīng)用目的有很大關(guān)系，所以對其控制系統(tǒng)的要求也是不同的。如果顯示屏的面積要求很大，屏幕顯示的信息量超大，那么要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也隨之增大，如何設(shè)計(jì)出更理想的字模保存方法以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的壓縮算法需要進(jìn)一步的研究和探討。

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