LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與方案介紹

1 引言

LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，應(yīng)用越來越廣泛。ATMEGA16L單片機(jī)是一款基于AVRRISC的、低功耗CMOS8位單片機(jī)，具有16K字節(jié)的自編程FLASH,512字節(jié)的EEPROM,1K字節(jié)的SRAM,通過AVR單片機(jī)來控制LED的顯示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，并且易于擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 編碼設(shè)計(jì)

編碼設(shè)計(jì)有兩個(gè)過程：字庫(kù)提取以及字模編碼轉(zhuǎn)換。字庫(kù)的提取涉及到的兩個(gè)字庫(kù)文件，一個(gè)為ASC16,專門存放ASCII編碼；另一個(gè)為HZK16,專門存放漢字字庫(kù)編碼。要提取字庫(kù)，首先要對(duì)它進(jìn)行初始化，即打開字庫(kù)。然后根據(jù)一個(gè)字符提取它相應(yīng)的編碼。首先取出字符的內(nèi)碼后（注意區(qū)分單字節(jié)和雙字節(jié)的內(nèi)碼），接著通過內(nèi)碼得到該字符對(duì)應(yīng)的字模的編碼在ASCII或HZK16內(nèi)的偏移量，最后就可以根據(jù)這個(gè)地址在文件中的偏移位置找到相應(yīng)的字模編碼，我們可以通過這個(gè)公式來計(jì)算：

在ASCII中，偏移量=（內(nèi)碼的低地址）*16,

在HZK16中，偏移量=（（內(nèi)碼的高地址-161）*94+（內(nèi)碼的低地址-161））*32。

此時(shí)得到的字模編碼不是最終所要的編碼（單字節(jié)數(shù)據(jù)如英文是按8*16點(diǎn)陣來顯示，而雙字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)如漢字是按16*16點(diǎn)陣來顯示的）。這里統(tǒng)一使用8*16點(diǎn)陣，這就需要對(duì)其轉(zhuǎn)換。下圖左表格表示的是漢字編碼在字庫(kù)內(nèi)存放順序，右表格表示的是經(jīng)過轉(zhuǎn)換過后的編碼存放順序。編碼轉(zhuǎn)換過程如圖1所示：

2.2 矩陣轉(zhuǎn)換移位算法

矩陣轉(zhuǎn)換移位算法目的就是如何把這些原始的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)據(jù)，以便把數(shù)據(jù)正確的輸入到74HC595。原始的數(shù)據(jù)必須要對(duì)其轉(zhuǎn)換。下面為它的算法實(shí)現(xiàn)。

2.3 上位機(jī)和下位機(jī)的通信

上位機(jī)和下位機(jī)的通信主要是通過RS232接口進(jìn)行的，對(duì)于上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?600bps。為了便于數(shù)據(jù)的傳輸和接收，可以給要傳輸數(shù)據(jù)的前后加上標(biāo)志位。如果數(shù)據(jù)發(fā)送量大，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)還可采用線程的方式來發(fā)送。而下位機(jī)接收數(shù)據(jù)則可采用單片機(jī)內(nèi)全雙工的通用異步收發(fā)器（UART）來進(jìn)行。

UART有中斷和查詢兩種工作方式，UART初始化需要設(shè)置相關(guān)幾個(gè)控制寄存器，我們可以把UART幾個(gè)控制寄存器的初始化情況表示出來：

UCR=0x00設(shè)置波特率時(shí)要先關(guān)閉UARTUBRR=0x33設(shè)置波特率為9600bpsUCR=0xD8打開串口：

8位數(shù)據(jù)UART如何接收和發(fā)送數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器UDR完成。UDR雖然只有一個(gè)地址，但是在物理上分離了二個(gè)寄存器，一個(gè)用于發(fā)送，一個(gè)用于接收。對(duì)于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用中斷的方式，其中斷向量為12,即是interrupthandleruart0_rx_isr:12。接收和發(fā)送方式如下：

2.4 顯示原理

要想點(diǎn)亮LED,必須把LED的位選數(shù)據(jù)信號(hào)置成低電平。顯示的過程如下：首先是將74HC595的RCK置0,再?gòu)南鄳?yīng)數(shù)組中取出要顯示的數(shù)據(jù)和位選信號(hào)，通過SCK的一個(gè)上升沿脈沖，就可以將這個(gè)數(shù)據(jù)輸入74HC595,等所有的數(shù)據(jù)打入相應(yīng)的芯片后最后再把RCK置1,這些數(shù)據(jù)就可以通過74HC595并行的傳輸出去。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

硬件總體框架的設(shè)計(jì)是根據(jù)上位機(jī)與下位機(jī)通信原理以及LED點(diǎn)陣顯示原理和74HC595的特性所構(gòu)成的。下面的圖2說明的是LED點(diǎn)陣顯示驅(qū)動(dòng)原理圖及其連線方式。

PA、PB口將作為數(shù)據(jù)輸出口，一共連接16個(gè)8*8的LED。端口的每一個(gè)引腳將作為74HC595的數(shù)據(jù)輸入端。RCK、SCK的并聯(lián)的使用的目的是為了實(shí)現(xiàn)LED字符的同步顯示。在線路連接中Q`H必須連接SI,因?yàn)楦鶕?jù)74HC595的特性，如果輸入的數(shù)據(jù)數(shù)大于8,那么前面的數(shù)據(jù)將會(huì)被自動(dòng)溢出，根據(jù)這一思想就將兩個(gè)芯片連接起來，按照先輸入8位數(shù)據(jù)信號(hào)，再輸入8位位選信號(hào)的順序，那么正好前一個(gè)74HC595存放位選信息，后一個(gè)74HC595存放數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，得出如下圖3的軟件流程框架：

4 結(jié)論

對(duì)于目前這個(gè)顯示系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低。如果系統(tǒng)需要更大的字符顯示庫(kù)，只需要擴(kuò)展AVR的RAM或EEPROM,并且用多個(gè)AVR單片機(jī)進(jìn)行的通訊即可。當(dāng)然，這時(shí)需要注意數(shù)據(jù)寫入時(shí)間問題，以免造成顯示的不同步。