基于單片機(jī)的LED顯示屏硬件設(shè)計(jì)方案

　　自上世紀(jì)90 年代以來(lái)， 隨著LED 顯示技術(shù)設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高，LED 數(shù)字屏逐漸在生產(chǎn)和生活中大量使用，LED 數(shù)字屏以其特有的顯示介質(zhì)， 在大面積， 全天候， 高亮度和超高亮度顯示屏領(lǐng)域凸現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。LED 顯示技術(shù)發(fā)展的十幾年中， 新器件和新技術(shù)不斷采用， 制造成本逐漸降低， 生產(chǎn)分工不斷細(xì)化， 但大量應(yīng)用的同時(shí)也暴露出LED 顯示技術(shù)的若干缺陷， 總體上技術(shù)尚未成熟， 標(biāo)準(zhǔn)尚未完全建立， 有許多方面值得進(jìn)行更深入的研究與改進(jìn)。

　　隨著大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展， 微處理器的運(yùn)算、控制能力大大增加， 單片計(jì)算機(jī)已在很多工業(yè)及民用系統(tǒng)中承擔(dān)智能化的任務(wù)， 與迅猛發(fā)展的運(yùn)算速度相比， 其端口擴(kuò)展能力則遜色得多（ 數(shù)目有限且擴(kuò)展困難）， 因此研發(fā)過(guò)程中不得不在節(jié)省端口上投入大量精力， 目前國(guó)內(nèi)為解決端口擴(kuò)展問(wèn)題可采用軟件處理的方式，這樣加重了軟件編寫(xiě)的難度，或采用擴(kuò)展端口的專(zhuān)用芯片。這兩種方法將引起軟件成本的提高或硬件電路復(fù)雜度的提高，不利于一些小型系統(tǒng)的研發(fā)，STC12C5A60S2單片機(jī)具有多種串行傳輸模式， 在一定程度上解決了這個(gè)矛盾。

　　LED 數(shù)字屏應(yīng)用非常廣泛， 不僅能顯示文字， 還能顯示各種圖形、圖表， 甚至各種動(dòng)畫(huà)效果， 是廣告宣傳、新聞傳播的有力工具。

　　本文采用STC12C5A60S2 單片機(jī)、接口NAND 閃存和上位PC 機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)16×128 點(diǎn)陣LED 數(shù)字屏的控制。

　　1 芯片選型

　　1.1 屏體

　　由于屏體是商業(yè)成品， 因此系統(tǒng)芯片的選型首選為能與屏體配合的芯片。屏體自備電源， 能直接將蓄電池的能量轉(zhuǎn)變?yōu)? V 的直流電源， 并且這個(gè)電源也通過(guò)屏體的接口電纜輸出到系統(tǒng)板上。因此系統(tǒng)可直接引用該電源， 不必自備電源電路。

　　1.2 單片機(jī)

　　綜合考慮屏體和系統(tǒng)需求， 選用國(guó)內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T） 的單片機(jī)STC12C5A60S2。

　　STC12C5A60S2 是新一代高速8051 單片機(jī)， 其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051， 但速度快8~12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路， 其工作電壓范圍是3.5 V~5.5 V，滿(mǎn)足要求的電壓。由于是單周期的8051 （ 傳統(tǒng)8051 是12 周期）， 可選擇較易于獲得準(zhǔn)確波特率的11.059 2 MHz晶振， 而不必?fù)?dān)心工作速度降低。

　　STC12C5A60S2 有60 KB 的用戶(hù)應(yīng)用程序空間，256 B的RAM 和1024 B 的XRAM.能滿(mǎn)足程序代碼的需求和緩沖區(qū)定義的需求。另有與程序存儲(chǔ)空間獨(dú)立的一片閃存區(qū)域， 可在應(yīng)用編程中作EEPROM 使用。

　　STC12C5A60S2 有雙UART 以及ISP 串口， 串口資源足夠系統(tǒng)使用。另外通過(guò)宏晶科技提供的軟件， 使用UART 可很容易地實(shí)現(xiàn)程序下載。STC12C5A60S2 有36個(gè)通用I/O 口， 大部分可位控， 并具有強(qiáng)推挽輸出的能力， 足夠系統(tǒng)使用。

　　STC12C5A60S2 有4 個(gè)16 bit 定時(shí)器和一個(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器， 另外還有兩個(gè)PCA 模塊， 能獲得豐富的定時(shí)器資源。STC12C5A60S2 有PDIP-40 封裝的芯片， 易于快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。

　　1.3 閃存

　　因?yàn)?6 ×16 點(diǎn)陣的漢字庫(kù)容量在250 KB 左右， 而MCS51 的尋址空間只有64 KB.接口大于64 KB 容量的普通存儲(chǔ)芯片就必須進(jìn)行總線(xiàn)擴(kuò)展， 采用兩次鎖存地址的方法來(lái)讀寫(xiě)， 既需要復(fù)雜的電路， 又占用較長(zhǎng)的存取時(shí)間。同樣，NOR 閃存與EPROM 的引腳結(jié)構(gòu)相類(lèi)似， 有同樣的接口復(fù)雜性， 成本也十分高。要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與字庫(kù)芯片的簡(jiǎn)單接口（ 不需擴(kuò)展） ， 只能選用串行結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器或命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器。

　　串行結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器多為EEPROM， 沒(méi)有很大的容量， 不適合做字庫(kù)芯片。因此只有選用命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線(xiàn)的NAND 閃存作為字庫(kù)存儲(chǔ)芯片。

　　字庫(kù)所需的容量不大， 但最好能5 V 供電， 且編程的緩存要求較小的芯片。SAMSUNG 公司出品的K9F4008W 是一款512 KB 的NAND 閃存， 僅有8 個(gè)IO端口， 且工作電壓范圍較廣（3 V~5.5 V）， 可以兼容3 V 和5 V 的硬件系統(tǒng)， 并且?guī)幊虝r(shí)僅需要32 B 的緩沖， 正適合作為字庫(kù)存儲(chǔ)的芯片。

　　因此， 閃存芯片的可電擦寫(xiě)特性頁(yè)非常適用于需要更換字庫(kù)的場(chǎng)合。故該芯片是十分理想的漢字庫(kù)存儲(chǔ)器。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電路的原理圖如圖1 所示。

　　3 總體設(shè)計(jì)

　　3.1 屏體接口模塊

　　屏體接口包括屏體接口頭文件、屏幕緩沖區(qū)的定義、屏體接口初始化、刷新定時(shí)器中斷服務(wù)程序和SPI中斷服務(wù)程序幾個(gè)部分。

　　屏體接口的頭文件screen.h 應(yīng)該使屏幕緩沖區(qū)對(duì)其他應(yīng)用可見(jiàn)， 并提供屏體初始化函數(shù)。具體定義如下：

　　#ifndef _SCREEN_H_

　　#define _SCREEN_H_

　　#include “inc\board.h”

　　extern u8 xdata SCR_BUF［16］［16］;

　　void screen_init（void）；

　　#endif

　　這樣就把屏幕緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)暴露給應(yīng)用， 但應(yīng)用不必關(guān)心具體的屏幕刷新操作。

　　具體屏體接口的實(shí)現(xiàn)集中在一個(gè)文件screen.c 中定義。具體如下：

　　首先是屏幕緩沖區(qū)定義：

　　u8 xdata SCR_BUF［16］［16］_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes其次是當(dāng)前顯示行和輸出列變量定義， 屬于靜態(tài)變量， 應(yīng)用程序不可見(jiàn)。

　　static u8 data row，col;

　　然后是屏幕初始化， 包括刷新定時(shí)器0 的初始化、SPI 的初始化、鎖存bLatch 信號(hào)的初始化、屏幕緩沖區(qū)的初始清零以及定時(shí)器和SPI 中斷的優(yōu)先權(quán)和使能位的初始化代碼略。

　　SPI 和定時(shí)器0 的中斷服務(wù)程序是屏體接口的關(guān)鍵。

　　定時(shí)器0 的中斷服務(wù)程序首先進(jìn)行掃描行增量取模運(yùn)算，并將掃描行輸出。然后依據(jù)掃描行取出屏幕緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)行的第一個(gè)字節(jié)發(fā)送到SPI 端口。同時(shí)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++］;

　　}

　　這樣編寫(xiě)的屏體驅(qū)動(dòng)， 應(yīng)用只要在初始化屏體后，向屏幕緩沖區(qū)中寫(xiě)入要顯示的數(shù)據(jù)即可， 而不必關(guān)心屏幕顯示的細(xì)節(jié)。