基于多端口串行Flash存儲(chǔ)器的LED顯示屏控制設(shè)計(jì)

在LED顯示屏應(yīng)用中，超長(zhǎng)條形LED屏是非常廣泛的一種形式，其特點(diǎn)是長(zhǎng)度“特別長(zhǎng)”而寬度窄。 超長(zhǎng)LED顯示屏目前沒(méi)有明確的定義，可以將其水平方向的點(diǎn)數(shù)定義為≥2 048比較合適。

以由1 /4 掃描P10單元板（點(diǎn)間距10 mm） 組成的超長(zhǎng)條形LED顯示屏為例，當(dāng)水平方向的點(diǎn)數(shù)為2 048時(shí)，其水平方向物理尺寸為20. 48 m. LED 屏的寬度（垂直方向） 點(diǎn)數(shù)一般為16、24和32點(diǎn)，最多不超過(guò)64 點(diǎn)，應(yīng)用中以能夠顯示一行各類字體的漢字為主。 為保證刷新率，在對(duì)超長(zhǎng)LED 顯示屏的控制上，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)送出更多數(shù)據(jù)，普通的LED顯示屏控制卡很難實(shí)現(xiàn)控制要求。

本文在分析現(xiàn)有各種條形LED顯示屏單元板電路的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多端口串行Flash存儲(chǔ)器的LED 顯示控制系統(tǒng)。 利用單片機(jī)的SPI接口產(chǎn)生可控時(shí)鐘，將多端口串行Flash 存儲(chǔ)器中的顯示數(shù)據(jù)以“DMA”方式直接輸出至超長(zhǎng)條形LED顯示屏。

1 常用單元板內(nèi)部串行移位寄存器連接方式

圖1 為3 種常用單元板內(nèi)部串行移位寄存器連接方式。 其中圖1（a） 為單元板74HC595 與LED發(fā)光管點(diǎn)陣連接關(guān)系及簡(jiǎn)化表示電路。 LED 顯示屏單元板內(nèi)部使用的串行移位寄存器一般為74HC595、MBI5026 或MBI5026 兼容芯片，而MBI5026 可以看成是由兩片74HC595 級(jí)聯(lián)構(gòu)成，為恒流源驅(qū)動(dòng)模式，更適合LED 的驅(qū)動(dòng)。

圖1（b） 、（c） 、（d） 分別為P10、P16、F3. 75 或F5. 0單元板的連接方式。

圖1 3 種常用單元板內(nèi)部串行移位寄存器連接方式

2 超長(zhǎng)LED顯示屏面臨的問(wèn)題及解決方案

目前，市場(chǎng)上大量的門(mén)頭屏（ 條形LED 顯示屏）是LED 顯示屏應(yīng)用最廣的一種形式。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，門(mén)頭屏的水平方向點(diǎn)數(shù)從256 點(diǎn)至數(shù)千點(diǎn)，而高度一般不超過(guò)64 點(diǎn)。隨著市場(chǎng)需求和顯示精度的提高，數(shù)千點(diǎn)長(zhǎng)度的超長(zhǎng)LED 顯示屏需求量在不斷加大。 普通的LED 顯示屏控制卡難于滿足刷新率的要求，以在長(zhǎng)度上像素點(diǎn)是4 096 的F3. 75 LED 顯示屏為例，設(shè)刷新率為60 Hz，其SCK時(shí)鐘周期至少為106 /60 /16 /4 096 = 0. 254 μs = 254 ns.

解決超長(zhǎng)LED 顯示屏數(shù)據(jù)輸出的方法有兩種：一是選擇高性能嵌入式處理器和FPGA 芯片，該方法控制卡成本較高；二是巧妙應(yīng)用單片機(jī)上的特殊功能部件并優(yōu)化組織數(shù)據(jù)算法，這種方法成本很低。本文采用的就是第2 種方法，通過(guò)優(yōu)化算法將數(shù)據(jù)預(yù)先寫(xiě)入多端口串行Flash 存儲(chǔ)器SST26VF016B 中，利用STC12C5616 單片機(jī)的SPI部件產(chǎn)生高速可控SCK 時(shí)鐘，將多端口串行Flash存儲(chǔ)器中的顯示數(shù)據(jù)以“DMA”方式直接輸出至超長(zhǎng)條形LED 顯示屏中，滿足超長(zhǎng)LED 顯示屏的顯示要求。

超長(zhǎng)LED 顯示屏高度一般不超過(guò)64 點(diǎn)，若控制1 /16 掃描單色LED 顯示屏，SST26VF016B 存儲(chǔ)器的4 位數(shù)據(jù)端口正好滿足LED 顯示屏數(shù)據(jù)口寬度的需要。圖2 為SST26VF016B 存儲(chǔ)器的控制時(shí)序，CS 為SST26VF016B 存儲(chǔ)器的片選端，所有對(duì)存儲(chǔ)器的操作都要在CS 為低電平期間進(jìn)行；SCK 為時(shí)鐘線，當(dāng)空閑模式時(shí)，SCK 信號(hào)可以處于低電平狀態(tài)（ MODE 0），也可以處在高電平狀態(tài)（ MODE 3） ; SIO（ 3∶ 0） 為4 位數(shù)據(jù)端口，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，先傳字節(jié)的高4 位，再傳字節(jié)的低4 位。從存儲(chǔ)器的控制時(shí)序可以看出，對(duì)存儲(chǔ)器的控制按照命令字、24 位存儲(chǔ)地址、虛擬字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)0 到數(shù)據(jù)字節(jié)N 的順序發(fā)送。存儲(chǔ)器的命令字可以實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行片擦除、扇區(qū)擦除、單字節(jié)讀寫(xiě)、連續(xù)字節(jié)讀寫(xiě)等功能，完全能夠滿足超長(zhǎng)LED 顯示屏對(duì)存儲(chǔ)器的容量和控制方式的要求。

圖2 SST26VF016B 存儲(chǔ)器的控制時(shí)序。

STC12C5616 是STC 公司推出的高速1T 單片機(jī)，時(shí)鐘頻率可達(dá)30 MHz 以上，其內(nèi)部集成一個(gè)高速串行通信接口部件（ 即SPI 接口）。當(dāng)STC12C5616 的SPI 部件采用主模式工作時(shí)，其SPI時(shí)鐘輸出頻率（ fclk） 可以達(dá)到晶振頻率（ fosc） 的1 /4 倍，并且可以靈活配置它的時(shí)鐘相位和時(shí)鐘極性，既滿足對(duì)SST26VF016B存儲(chǔ)器控制的要求，又滿足超長(zhǎng)LED 顯示屏對(duì)時(shí)鐘的要求。

3 超長(zhǎng)LED顯示屏控制卡電路設(shè)計(jì)

利用串行Flash 存儲(chǔ)器SST26VF016B 的多位數(shù)據(jù)口存儲(chǔ)器和STC12C5616 單片機(jī)的SPI 部件能產(chǎn)生高速SCK 時(shí)鐘的特點(diǎn)，將顯示數(shù)據(jù)從串行Flash存儲(chǔ)器旁路輸出至LED顯示屏，電路如圖3 所示。

圖3 超長(zhǎng)LED 顯示屏控制卡電路圖。

當(dāng)顯示屏的動(dòng)態(tài)刷新速率達(dá)到50 次/s 時(shí)，在1 /16 掃描的LED 顯示屏上，一行顯示時(shí)間要小于1 /50 /16 s，即1. 25 ms. 在控制卡設(shè)計(jì)上，當(dāng)fosc =22 MHz時(shí)，串行Flash 時(shí)鐘頻率fclk = 1 /4 fosc =5. 5 MHz，故4 096 個(gè)CLK 時(shí)鐘所需時(shí)間為4 096 × 1 /（5. 5 × 106 ） s = 0. 744 ms，加上采用SQI協(xié)議發(fā)送存儲(chǔ)器指令和地址的時(shí)間后也小于1. 25 ms，故在圖3 中，單片機(jī)STC12C5616 的外部時(shí)鐘選擇22 MHz 時(shí)鐘，就可以保證在SQI 協(xié)議方式下實(shí)現(xiàn)4 096 超長(zhǎng)顯示屏的顯示。

單片機(jī)STC12C5616 的外部時(shí)鐘選擇22. 118 4 MHz，便于串行口波特率的精確控制；引腳P3. 0和P3. 1為UART 接口，通過(guò)通信接口芯片MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)控制卡和PC 機(jī)之間的通信連接；引腳P2. 0 ~ P2. 3為4 位數(shù)據(jù)線，該數(shù)據(jù)線一方面連接存儲(chǔ)器SST26VF016B 的4 位數(shù)據(jù)口，另一方面通過(guò)74HC245 驅(qū)動(dòng)后連接到LED 單元板輸出接口的數(shù)據(jù)線上。在控制卡上設(shè)計(jì)有2 個(gè)單色LED單元板輸出接口，接口J1 使用數(shù)據(jù)線D0和D1，接口J2 使用數(shù)據(jù)線D2和D3; 引腳P1. 7為SPI 時(shí)鐘輸出，SPI 時(shí)鐘輸出線同時(shí)連接到串行Flash 存儲(chǔ)器SST26VF016B 和LED 單元板的時(shí)鐘輸入；引腳P1. 4為串行Flash 存儲(chǔ)器SST26VF016B 的片選信號(hào)； 引腳P3. 5為L(zhǎng)ED 單元板的數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)；引腳P3. 7為L(zhǎng)ED 單元板的使能信號(hào)輸出；引腳P1. 0 ~P1. 3為L(zhǎng)ED 單元板的行選擇信號(hào)輸出；J1 和J2 連接頭用來(lái)連接顯示屏在高度方向上的LED 單元板，以符合門(mén)頭屏64 點(diǎn)高度要求。

該電路的設(shè)計(jì)可以靈活地在單片機(jī)、串行存儲(chǔ)器和LED單元板相互之間實(shí)現(xiàn)3 種不同的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式，分別是：

（1） 單片機(jī)和存儲(chǔ)器之間的正常訪問(wèn)。

由圖3 可以看出，單片機(jī)STC12C5616 和串行Flash 存儲(chǔ)器SST26VF016B 之間的連接是參照數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行連接的，可以實(shí)現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)存取，同時(shí)該數(shù)據(jù)也會(huì)進(jìn)入LED 單元板上的移位寄存器緩沖區(qū)，但只要LED 單元板上的數(shù)據(jù)鎖存RCK 沒(méi)有得到有效信號(hào)，進(jìn)入LED 單元板的數(shù)據(jù)是不顯示出來(lái)的無(wú)效數(shù)據(jù)。

（2） 單片機(jī)和LED 單元板之間數(shù)據(jù)通信。

將單片機(jī)引腳P1. 4置高電平，即將串行Flash存儲(chǔ)器的使能端無(wú)效，這時(shí)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)端口呈高阻狀態(tài)，單片機(jī)和LED 單元板之間數(shù)據(jù)通信就不會(huì)受到存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)口的影響，可以將單片機(jī)的數(shù)據(jù)正常輸出到LED 單元板上。

（3） 存儲(chǔ)器和LED 顯示屏之間的數(shù)據(jù)傳輸。

首先采用第（1） 種模式，單片機(jī)先向串行存儲(chǔ)器輸出命令字、存儲(chǔ)地址和虛擬字節(jié)，然后將單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P2. 0 ~ P2. 3全部置高電平，通過(guò)SPI 時(shí)鐘從串行存儲(chǔ)器讀取顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)以“DMA”方式進(jìn)入LED 單元板，當(dāng)讀取完一行數(shù)據(jù)后，在LED單元板上的數(shù)據(jù)鎖存端RCK 上產(chǎn)生有效信號(hào)，就可以顯示該行數(shù)據(jù)。當(dāng)采用這種模式時(shí)，一定要將單片機(jī)STC12C5616 的引腳P2. 0 ~ P2. 3設(shè)置為“弱上拉”模式。

4 超長(zhǎng)LED 顯示屏顯示程序設(shè)計(jì)

在1 /16 單色LED 顯示屏硬件電路設(shè)計(jì)中，74HC595 采用直通方式連接。根據(jù)直通方式特點(diǎn)，預(yù)先對(duì)單色顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化組織，將組織后的顯示數(shù)據(jù)預(yù)先存放在串行Flash 存儲(chǔ)器SST26VF016B 中。如圖4 所示，單片機(jī)輸出顯示每行數(shù)據(jù)時(shí)按“輸出數(shù)據(jù)→送移位脈沖→地址加1”的順序重復(fù)進(jìn)行，顯示完一行后，RCK 鎖存顯示，通過(guò)ABCD 切換行選通線。

圖4 1 /16 掃描單色F3. 75 或F5. 0 單元板（ 64 × 32 點(diǎn)） 連接方式。

｜

以LED 顯示屏的水平方向點(diǎn)數(shù)為4 096 點(diǎn)為例，其顯示一幀數(shù)據(jù)的程序代碼如下：

woid Display（unsigned long begin_Addr）

{

unsigned char Ln

，Bv = 1;

unsigned int Data_Length，Lw = 4096;

unsigned long Addr;

Data_Length = Bv* Lw

） ;

for （ Ln = 0; Ln 《 16; Ln + + ）

{

Addr = Begin_Addr + Ln* Data_Length;

CS = 0;

SendSQI_Byte（ 0x0B） ; / /送讀命令

/ /送3 個(gè)字節(jié)地址

SendSQI_Byte（ （ Addr 》 16） &0xff） ;

SendSQI_Byte（ （ Addr 》 8） &0xff） ;

SendSQI_Byte（ （ Addr&0xff） ;

SendSQI_Byte（ （ 0xff） ; / /送虛字節(jié)

P2 = P2 |0x0f;

SPCTL = 0xd0; / /允許SPI 接口

SPDAT = 0xff; / /啟動(dòng)第1 次SPI 發(fā)送

Data_Length = （ Data_Length》 3） - 1;

while（ Data_Length！ = 0）

{ / /SPI 時(shí)鐘每次傳輸8 個(gè)脈沖

while（ （ SPSTAT&0x80） == 0） ;

SPSTAT = 0x80; / /清接收標(biāo)志

SPDAT = 0xff; / /啟動(dòng)SPI 發(fā)送

Data_Length -- ;

}

while（ （ SPSTAT&0x80） == 0） ;

SPSTAT = 0x80; / /清接收標(biāo)志

SPCTL = 0x90; / /禁止SPI 接口

CS = 1; /* disable devicce * /

EN = 0;

RCK = 1; RCK = 0;

PI = （ （ P1&0xf0） | Ln

） ;

EN = 1;

}

}

在設(shè)計(jì)程序時(shí)，僅在換行時(shí)關(guān)閉顯示屏，避免它產(chǎn)生余輝，其余時(shí)間都點(diǎn)亮。在該程序中，Bv為數(shù)據(jù)線在垂直方向使用595 的組數(shù)；Lw為L(zhǎng)ED 顯示屏水平方向像素點(diǎn)數(shù)；Ln為當(dāng)前LED 顯示屏顯示數(shù)據(jù)行號(hào)。 當(dāng)顯示數(shù)據(jù)時(shí)，采用存儲(chǔ)器和LED 顯示屏的數(shù)據(jù)輸出模式，單片機(jī)先向串行存儲(chǔ)器輸出“讀數(shù)據(jù)”命令字“0x0B”，然后輸出24 位地址和虛擬字節(jié)，再使單片機(jī)數(shù)據(jù)口輸出高電平，就可以根據(jù)LED 顯示屏的長(zhǎng)度輸出SCK 脈沖。送完一行數(shù)據(jù)后，禁止SPI 接口，RCK 鎖存信號(hào)有效，切換至下一行，按重復(fù)步驟繼續(xù)輸出顯示數(shù)據(jù)。

5 測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試后，顯示屏顯示正常，沒(méi)有抖動(dòng)情況，使用邏輯分析儀測(cè)試了其刷新率，如圖5（b） 所示，信號(hào)A 的電平寬度表示顯示1 行所需要的時(shí)間，其寬度為1. 036 16 ms，顯示1 幀的時(shí)間為16 ×1. 036 16 ms≈16 ms，所以LED 顯示屏的刷新率為1 /16 ms = 62. 5 Hz. 而當(dāng)LED 顯示屏的刷新率大于50 次/s 時(shí)，就可以滿足設(shè)計(jì)要求，故本設(shè)計(jì)能夠滿足正常顯示要求。通過(guò)測(cè)試SCK 信號(hào)，如圖5（a）所示，可以看出SCK 信號(hào)每8 個(gè)脈沖1 組，每組之間的時(shí)間間隔僅為570 ns，該時(shí)間主要消耗在判斷SPI 數(shù)據(jù)傳輸完成標(biāo)志和循環(huán)控制上。

圖5 LED 屏信號(hào)測(cè)試

6 結(jié)論

本文提出了基于多端口串行Flash存儲(chǔ)器的LED顯示控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)的SPI 接口產(chǎn)生可控時(shí)鐘，將多端口串行Flash 存儲(chǔ)器中的顯示數(shù)據(jù)以“DMA”方式直接輸出至超長(zhǎng)條形LED 顯示屏。

其制造成本低廉，根據(jù)本文程序及邏輯分析儀得到的時(shí)序圖可知，該方法可以控制4 096 × 64 點(diǎn)陣單色LED顯示屏，在超長(zhǎng)顯示屏市場(chǎng)上有很好的應(yīng)用前景。
責(zé)任編輯；zl