基于單片機(jī)的LED顯示屏硬件設(shè)計方案 - 全文

　　自上世紀(jì)90 年代以來， 隨著LED 顯示技術(shù)設(shè)計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。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， 微處理器的運算、控制能力大大增加， 單片計算機(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)過程中不得不在節(jié)省端口上投入大量精力， 目前國內(nèi)為解決端口擴(kuò)展問題可采用軟件處理的方式，這樣加重了軟件編寫的難度，或采用擴(kuò)展端口的專用芯片。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， 甚至各種動畫效果， 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)，實現(xiàn)了對16×128 點陣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， 并且這個電源也通過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， 選用國內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/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 專用復(fù)位電路， 其工作電壓范圍是3.5 V~5.5 V，滿足要求的電壓。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 的用戶應(yīng)用程序空間，256 B的RAM 和1024 B 的XRAM.能滿足程序代碼的需求和緩沖區(qū)定義的需求。另有與程序存儲空間獨立的一片閃存區(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。另外通過宏晶科技提供的軟件， 使用UART 可很容易地實現(xiàn)程序下載。STC12C5A60S2 有36個通用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16 bit 定時器和一個獨立的波特率發(fā)生器， 另外還有兩個PCA 模塊， 能獲得豐富的定時器資源。STC12C5A60S2 有PDIP-40 封裝的芯片， 易于快速進(jìn)入實驗。

　　1.3 閃存

　　因為16 ×16 點陣的漢字庫容量在250 KB 左右， 而MCS51 的尋址空間只有64 KB.接口大于64 KB 容量的普通存儲芯片就必須進(jìn)行總線擴(kuò)展， 采用兩次鎖存地址的方法來讀寫， 既需要復(fù)雜的電路， 又占用較長的存取時間。同樣，NOR 閃存與EPROM 的引腳結(jié)構(gòu)相類似， 有同樣的接口復(fù)雜性， 成本也十分高。要實現(xiàn)單片機(jī)與字庫芯片的簡單接口（ 不需擴(kuò)展） ， 只能選用串行結(jié)構(gòu)的存儲器或命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線結(jié)構(gòu)的存儲器。

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

　　字庫所需的容量不大， 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僅需要32 B 的緩沖， 正適合作為字庫存儲的芯片。

　　因此， 閃存芯片的可電擦寫特性頁非常適用于需要更換字庫的場合。故該芯片是十分理想的漢字庫存儲器。

　　2 電路設(shè)計

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

　　3 總體設(shè)計

　　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、刷新定時器中斷服務(wù)程序和SPI中斷服務(wù)程序幾個部分。

　　屏體接口的頭文件screen.h 應(yīng)該使屏幕緩沖區(qū)對其他應(yīng)用可見， 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。

　　具體屏體接口的實現(xiàn)集中在一個文件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。

　　static u8 data row，col;

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

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

　　定時器0 的中斷服務(wù)程序首先進(jìn)行掃描行增量取模運算，并將掃描行輸出。然后依據(jù)掃描行取出屏幕緩沖區(qū)對應(yīng)行的第一個字節(jié)發(fā)送到SPI 端口。同時列增量。

　　void display_ONe_screen（void）interrupt 1 using 3{

　　row = （++row）&0x0f;

　　P0 = （P0 & 0xf0）|（（~row）& 0xf）；

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

　　}

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

　　3.2 UART 接口

　　UART 接口負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)， 盡管發(fā)送可以同步進(jìn)行， 但接收必須異步進(jìn)行。因而UART 接口的核心仍然應(yīng)該是一個中斷服務(wù)程序。

　　UART 接口的頭文件uart.h 隱藏了接收緩沖區(qū)的信息， 用戶可調(diào)用的函數(shù)只有初始化、發(fā)送和接收。

　　#ifndef _UART_H_

　　#define _UART_H_

　　void uart_init（void）；

　　void uart_put_c（u8 ch）；

　　u8 uart_get_c（u8 *）；

　　#endif

　　UART 的接口實現(xiàn)首先定義一個接收緩沖FIFO， 以及對FIFO 的讀下標(biāo)uart_rd 和寫下標(biāo)uart_wr， 他們都是文件內(nèi)可見的靜態(tài)變量：

　　static u8 xdata uart_buf［64］;

　　static u8 uart_rd，uart_wr;

　　bit fSend

　　UART 的初始化包括進(jìn)行FIFO 的初始化和UART格式、波特率、中斷的初始化。代碼略。

　　UART 的ISR 主要是服務(wù)于接收， 無條件地將數(shù)據(jù)裝入FIFO， 并調(diào)整寫入指針。

　　static void uart_isr（void）interrupt 4 using 1{

　　if（RI）{RI = 0;

　　uart_buf［uart_wr++］ = SBUF;

　　uart_wr &= 0x0f;

　　}

　　}

　　提供給用戶的發(fā)送程序首先檢測發(fā)送結(jié)束標(biāo)記， 如果為0， 表示上次發(fā)送尚未結(jié)束， 直接返回錯誤信息1。

　　否則將要發(fā)送的信息發(fā)送并清零發(fā)送結(jié)束標(biāo)記。這樣設(shè)計的發(fā)送程序， 其目的是將發(fā)送等待不限制在接口底層， 而是給上層一個決定是否等待發(fā)送結(jié)束的機(jī)會。

　　u8 uart_put_c（u8 ch）{

　　if（！ TI）return 1;

　　TI = 0;SBUF = ch; return 0;

　　}

　　同樣， 接收程序也給上層一個選擇等待的機(jī)會。接收函數(shù)首先判斷接收FIFO 是否為空， 如果為空或輸入指針參數(shù)錯誤， 則直接返回錯誤， 否則才從FIFO 中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到指針指向的地址， 然后返回成功。

　　u8 uart_get_c（u8 *ch）{

　　u8 i;

　　if（！ ch）return 1;

　　if（（i = （uart_rd+1）&0x0f） == uart_wr）return 1;

　　uart_rd = i; *ch = uart_buf［i］;return 0;

　　}

　　3.3 閃存接口

　　閃存的存取有特殊的時序， 閃存的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也和具體應(yīng)用要求有很大的不同。因此閃存的接口需要仔細(xì)設(shè)計。

　　K9F4008 閃存芯片的存儲結(jié)構(gòu)組織如圖2所示。

　　K9F4008 閃存的存儲以塊為單位， 每個芯片共有128 塊。每塊有32 行， 每行有4 個幀， 每幀含有32 B.全部芯片為512 KB。

　　閃存接口提供的閃存初始化函數(shù)中就包括對這樣情況的處理。初始化函數(shù)要從閃存的第一個塊中讀出一個塊映射表， 該表下標(biāo)是邏輯扇區(qū)， 表內(nèi)每項存儲的是該邏輯扇區(qū)對應(yīng)的物理塊編號。初始化函數(shù)在必要時對閃存進(jìn)行讀寫校驗， 然后將壞塊從表中刪除。再尋找新的良好塊， 將其編號填入到對應(yīng)邏輯扇區(qū)的表項中。這樣對應(yīng)用來說， 只見到連續(xù)的扇區(qū)編號， 而不知道扇區(qū)究竟對應(yīng)到那個塊。

　　閃存的接口頭文件Flash.h 如下：

　　#ifndef _K9F4008_H_

　　#define _K9F4008_H_

　　void read_log_page（u8 sector，u8 page，u8 xdata *buf）；

　　u8 prog_log_page（u8 sector，u8 page，u8 xdata *buf）；

　　void erase_log_blk（u8 sector）；

　　bit flash_init（void）；

　　#endif

　　實現(xiàn)閃存的接口， 首先就是依據(jù)說明書的時序定義閃存的基本操作。這里是以宏定義實現(xiàn)基本操作的。

　　#define W_CMD（cmd_）\

　　bCLE=1; bWE=0; P2=（cmd_）； bWE=1; bCLE=0

　　#define W_ADDR（addr1_，addr2_，addr3_）\

　　bALE=1; bWE=0; P2=（addr1_）； bWE=1; \

　　bWE=0; P2=（addr2_）； bWE=1; \

　　bWE=0; P2=（addr3_）； bWE=1; \

　　bALE=0

　　#define W_DAT（dat_） bWE=0; P2=（dat_）； bWE=1

　　#define wait_RB while（！ bRB）

　　#define l2p（x_） fat_tbl［（x_）］

　　3.4 EEPROM

　　內(nèi)部集成的EEPROM 是與程序空間分開的， 利用ISP/IAP 技術(shù)可將內(nèi)部DATAFLASH 當(dāng)EEPROM，擦寫次數(shù)10 萬次以上。EEPROM 可分為若干個扇區(qū)， 每個扇區(qū)包含512 B.使用時， 建議同一次修改的數(shù)據(jù)放在同一個扇區(qū)， 不是同一次修改的數(shù)據(jù)放在不同的扇區(qū)， 不一定要用滿。數(shù)據(jù)存儲器的擦除操作是按扇區(qū)進(jìn)行的。

　　sfr IAP_DATA = 0xC2; //Flash data register

　　sfr IAP_ADDRH = 0xC3; //Flash address HIGH

　　sfr IAP_ADDRL = 0xC4; //Flash address LOW

　　sfr IAP_CMD = 0xC5; //Flash command register

　　sfr IAP_TRIG = 0xC6; //Flash command trigger

　　sfr IAP_CONTR = 0xC7; //Flash control register

　　根據(jù)使用說明對EEPROM 的寄存器進(jìn)行定義。