基于单片机的LED显示屏硬件设计方案

基于单片机的LED显示屏硬件设计方案摘要：设计使用8位单片机STC12C5A60S2作为中央控制器，结合NAND闪存芯片K9F4008存储汉字库的8×128点阵LED数字屏，该点阵LED数字屏具有存储信息后离线显示的功能。可应用到多种显示环境，尤其像汽车等移动工具上的脱机显示环境。自上世纪90年代以来，随着LED显示屏显示技术设计制造水平的不断提高，LED数字屏逐渐在生产和生活中大量使用，LED数字屏以其特有的显示介质，在大面积，全天候，高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED显示技术发展的十几年中，新器件和新技术不断采用，制造成本逐渐降低，生产分工不断细化，但大量应用的同时也暴露出LED显示技术的若干缺陷，总体上技术尚未成熟，标准尚未完全建立，有许多方面值得进行更深入的研究与改进。随着大规模集成电路的迅猛发展，微处理器的运算、控制能力大大增加，单片计算机已在很多工业及民用系统中承担智能化的任务，与迅猛发展的运算速度相比，其端口扩展能力则逊色得多（数目有限且扩展困难），因此研发过程中不得不在节省端口上投入大量精力，目前国内为解决端口扩展问题可采用软件处理的方式，这样加重了软件编写的难度，或采用扩展端口的专用芯片。这两种方法将引起软件成本的提高或硬件电路复杂度的提高，不利于一些小型系统的研发，STC12C5A60S2单片机具有多种串行传输模式，在一定程度上解决了这个矛盾。LED数字屏应用非常广泛，不仅能显示文字，还能显示各种图形、图表，甚至各种动画效果，是广告宣传、新闻传播的有力工具。本文采用STC12C5A60S2单片机、接口NAND闪存和上位PC机，实现了对16×128点阵LED数字屏的控制。1芯片选型1.1屏体由于LED显示屏体是商业成品，因此系统芯片的选型首选为能与屏体配合的芯片。屏体自备电源，能直接将蓄电池的能量转变为5V的直流电源，并且这个电源也通过屏体的接口电缆输出到系统板上。因此系统可直接引用该电源，不必自备电源电路。1.2单片机综合考虑屏体和系统需求，选用单片机STC12C5A60S2。STC12C5A60S2是新一代高速8051单片机，其指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路，其工作电压范围是3.5V~5.5V,满足要求的电压。由于是单周期的8051（传统8051是12周期），可选择较易于获得准确波特率的11.0592MHz晶振，而不必担心工作速度降低。STC12C5A60S2有60KB的用户应用程序空间，256B的RAM和1024B的XRAM.能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另有与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM使用。STC12C5A60S2有双UART以及ISP串口，串口资源足够系统使用。使用UART可很容易地实现程序下载。STC12C5A60S2有36个通用I/O口，大部分可位控，并具有强推挽输出的能力，足够系统使用。STC12C5A60S2有4个16bit定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个PCA模块，能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S2有PDIP-40封装的芯片，易于快速进入实验。1.3闪存因为16×16点阵的汉字库容量在250KB左右，而MCS51的寻址空间只有64KB.接口大于64KB容量的普通存储芯片就必须进行总线扩展，采用两次锁存地址的方法来读写，既需要复杂的电路，又占用较长的存取时间。同样，NOR闪存与EPROM的引脚结构相类似，有同样的接口复杂性，成本也十分高。要实现单片机与字库芯片的简单接口（不需扩展）,只能选用串行结构的存储器或命令、地址和数据复用总线结构的存储器。串行结构的存储器多为EEPROM,没有很大的容量，不适合做字库芯片。因此只有选用命令、地址和数据复用总线的NAND闪存作为字库存储芯片。字库所需的容量不大，但最好能5V供电，且编程的缓存要求较小的芯片。K9F4008W是一款512KB的NAND闪存，仅有8个IO端口，且工作电压范围较广（3V~5.5V），可以兼容3V和5V的硬件系统，并且帧编程时仅需要32B的缓冲，正适合作为字库存储的芯片。因此，闪存芯片的可电擦写特性页非常适用于需要更换字库的场合。故该芯片是十分理想的汉字库存储器。3总体设计3.1屏体接口模块LED显示屏屏体接口包括屏体接口头文件、屏幕缓冲区的定义、屏体接口初始化、刷新定时器中断服务程序和SPI中断服务程序几个部分。屏体接口的头文件screen.h应该使屏幕缓冲区对其他应用可见，并提供屏体初始化函数。具体定义如下：#ifndef_SCREEN_H_#define_SCREEN_H_#includeincboard.hexternu8xdataSCR_BUF[16][16];voidscreen_init（void）；#endif这样就把屏幕缓冲区的结构暴露给应用，但应用不必关心具体的屏幕刷新操作。具体LED显示屏屏体接口的实现集中在一个文件screen.c中定义。具体如下：首先是屏幕缓冲区定义：u8xdataSCR_BUF[16][16]_at_0x0000;//~0x00ff256Bytes其次是当前显示行和输出列变量定义，属于静态变量，应用程序不可见。staticu8datarow,col;然后是屏幕初始化，包括刷新定时器0的初始化、SPI的初始化、锁存bLatch信号的初始化、屏幕缓冲区的初始清零以及定时器和SPI中断的优先权和使能位的初始化代码略。SPI和定时器0的中断服务程序是屏体接口的关键。定时器0的中断服务程序首先进行扫描行增量取模运算，并将扫描行输出。然后依据扫描行取出屏幕缓冲区对应行的第一个字节发送到SPI端口。同时列增量。voiddisplay_ONe_screen（void）interrupt1using3{row=（++row）&0x0f;P0=（P0&0xf0）|（（~row）&0xf）；col=0;SPDAT=~SCR_BUF[row][col++];}这样编写的屏体驱动，应用只要在初始化屏体后，向屏幕缓冲区中写入要显示的数据即可，而不必关心屏幕显示的细节。3.2UART接口UART接口负责与上位机的数据收发，尽管发送可以同步进行，但接收必须异步进行。因而UART接口的核心仍然应该是一个中断服务程序。UART接口的头文件uart.h隐藏了接收缓冲区的信息，用户可调用的函数只有初始化、发送和接收。#ifndef_UART_H_#define_UART_H_voiduart_init（void）；voiduart_put_c（u8ch）；u8uart_get_c（u8*）；#endifUART的接口实现首先定义一个接收缓冲FIFO,以及对FIFO的读下标uart_rd和写下标uart_wr,他们都是文件内可见的静态变量：staticu8xdatauart_buf[64];staticu8uart_rd,uart_wr;bitfSendUART的初始化包括进行FIFO的初始化和UART格式、波特率、中断的初始化。代码略。UART的ISR主要是服务于接收，无条件地将数据装入FIFO,并调整写入指针。staticvoiduart_isr（void）interrupt4using1{if（RI）{RI=0;uart_buf[uart_wr++]=SBUF;uart_wr&=0x0f;}}提供给用户的发送程序首先检测发送结束标记，如果为0,表示上次发送尚未结束，直接返回错误信息1。否则将要发送的信息发送并清零发送结束标记。这样设计的发送程序，其目的是将发送等待不限制在接口底层，而是给上层一个决定是否等待发送结束的机会。u8uart_put_c（u8ch）{if（！TI）return1;TI=0;SBUF=ch;return0;}同样，接收程序也给上层一个选择等待的机会。接收函数首先判断接收FIFO是否为空，如果为空或输入指针参数错误，则直接返回错误，否则才从FIFO中读取数据并将数据存储到指针指向的地址，然后返回成功。u8uart_get_c（u8*ch）{u8i;if（！ch）return1;if（（i=（uart_rd+1）&0x0f）==uart_wr）return1;uart_rd=i;*ch=uart_buf[i];return0;}3.3闪存接口闪存的存取有特殊的时序，闪存的内部结构也和具体应用要求有很大的不同。因此闪存的接口需要仔细设计。K9F4008闪存芯片的存储结构组织如图2所示。K9F4008闪存的存储以块为单位，每个芯片共有128块。每块有32行，每行有4个帧，每帧含有32B.全部芯片为512KB。闪存接口提供的闪存初始化函数中就包括对这样情况的处理。初始化函数要从闪存的第一个块中读出一个块映射表，该表下标是逻辑扇区，表内每项存储的是该逻辑扇区对应的物理块编号。初始化函数在必要时对闪存进行读写校验，然后将坏块从表中删除。再寻找新的良好块，将其编号填入到对应逻辑扇区的表项中。这样对应用来说，只见到连续的扇区编号，而不知道扇区究竟对应到那个块。闪存的接口头文件Flash.h如下：#ifndef_K9F4008_H_#define_K9F4008_H_voidread_log_page（u8sector,u8page,u8xdata*buf）；u8prog_log_page（u8sector,u8page,u8xdata*buf）；voiderase_log_blk（u8sector）；bitflash_init（void）；#endif实现闪存的接口，首先就是依据说明书的时序定义闪存的基本操作。这里是以宏定义实现基本操作的。#defineW_CMD（cmd_）bCLE=1;bWE=0;P2=（cmd_）；bWE=1;bCLE=0#defineW_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#defineW_DAT（dat_）bWE=0;P2=（dat_）；bWE=1#definewait_RBwhile（！bRB）#definel2p（x_）fat_tbl[（x_）]3.4EEPROM内部集成的EEPROM是与程序空间分开的，利用ISP/IAP技术可将内部DATAFLASH当EEPROM,擦写次数10万次以上。EEPROM可分为若干个扇区，每个扇区包含512B.使用时，建议同一次修改的数据放在同一个扇区，不是同一次修改的数据放在不同的扇区，不一定要用满。数据存储器的擦除操作是按扇区进行的。sfrIAP_DATA=0xC2;//FlashdataregistersfrIAP_ADDRH=0xC3;//FlashaddressHIGHsfrIAP_ADDRL=0xC4;//FlashaddressLOWsfrIAP_CMD=0xC5;//FlashcommandregistersfrIAP_TRIG=0xC6;//FlashcommandtriggersfrIAP_CONTR=0xC7;//Flashcontrolregister根据使用说明对EEPROM的寄存器进行定义。文章由视爵光旭LED显示屏公司编写