C8051F340控制的LED點陣顯示屏系統(tǒng)設計

1 引言
    隨著計算機及相關的微電子、光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展。LED顯示屏以其可靠性高、使用壽命長、環(huán)境適應能力強、性價比高的特點，迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品。它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，LED電子顯示屏雖不如LCD顯示屏的界面友好直觀，但由于其具有顯示信息量大、操作方便靈活、用戶可隨時自行修改顯示內(nèi)容和顯示屏幕的大小、顯示方式圖文并茂等優(yōu)點，被廣泛應用于公共場所。
    這里介紹一種24×40的顯示屏控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時顯示4個14×10的漢字和8個7×5的字符或數(shù)字，以C8051F340單片機為控制器，以74HC595作為行列驅(qū)動器。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 總體設計
    該系統(tǒng)由顯示屏控制器、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、LED點陣顯示屏、與PC機的串口通信，品振電路和存儲器模塊等構(gòu)成。總體設計框圖如圖1所示。

2．2 顯示屏控制器
    顯示屏控制器選用C8051F340單片機，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC)，具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設及其他功能部件：內(nèi)置Flash程序存儲器、內(nèi)部RAM，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM，即XRAM。
2．3 行驅(qū)動器
    設計中使用3塊74HE595和3個相對應的三態(tài)門2803作為行驅(qū)動器。2803是常用的達林頓驅(qū)動器。達林頓管又稱復合管，將兩只三極管適當?shù)倪B接在一起，組成一只等效的三極管。新的三極管的放大倍數(shù)是二者之積。在電子電路設計中，達林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。
    這類器件的COM端(的引腳IO)主要有兩種作用：
    (1)試驗用時接地輸出端都接發(fā)光二極管，只要將COM端接地，則所有發(fā)光二極管都點亮，否則，可能是二極管毀壞或其他毀壞。
    (2)保護用時接電源正極該器件是接繼電器或針式打印頭，因為電感作用，會在開關過程中產(chǎn)生低于地電位和高于電源電位的反電動勢，這樣，很容易擊穿器件。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，可將COM端接到電源正極．來削弱沖擊電壓低到二極管壓降和電源電壓的幅度，這樣可使內(nèi)部的三極管受到最小的正電壓沖擊。
2．4 列驅(qū)動器
    設計中使用5塊74HC595作為列驅(qū)動。74HC595是內(nèi)含8位串入、8位串入并出的移位寄存器和8位三態(tài)輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，且移位寄存器和輸出鎖存器分別有各自的時鐘輸入，控制各自獨立，這使列數(shù)據(jù)的準備和列數(shù)據(jù)的顯示可同時進行。74HC595通過串行級聯(lián)方式傳輸。系統(tǒng)擴展容易。圖2為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2．5 LED點陣顯示屏
    圖3為LED點陣顯示屏電路圖。點陣顯示屏由15個8×8的點陣LED顯示模塊構(gòu)成，圖3a為顯示模塊，圖3b為行驅(qū)動模塊中的一個行驅(qū)動單元，圖3c為C8051F340的引腳配置圖，圖3d為列驅(qū)動模塊中的一個列驅(qū)動單元。

2．6 串口通信接口
    MAX232實現(xiàn)RS232與TTL電平的轉(zhuǎn)換，使PC機與單片機傳輸信息。如果傳輸距離超過RS232要求的距離，可在兩者之間增加RS232／RS485轉(zhuǎn)換模塊，則達到RS485的傳輸要求。

3 系統(tǒng)軟件設計
    整個軟件設計分為顯示和通信兩部分。軟件設計語言采用匯編語言和Keil C51語言。在C8051F系列自帶的IDE編程環(huán)境結(jié)合Keil環(huán)境實現(xiàn)顯示功能。通信部分上位機部分則直接在PC機VC++環(huán)境下實現(xiàn)。
3．1 顯示部分
    顯示部分采用動態(tài)掃描方式，實現(xiàn)漢字、圖像、數(shù)字字符等數(shù)據(jù)信息的控制以及顯示等功能。采用行掃描方式，當選通第1行LED點陣時，對應列數(shù)據(jù)，由于74HC595器件的特殊性，通過將每個器件的串行數(shù)據(jù)輸入引腳14(SER)與下一個器件的串行數(shù)據(jù)輸出引腳9(Q'H)級聯(lián)，可以把需要顯示的數(shù)據(jù)信息依次存入74HC595器件內(nèi)，通過其鎖存器功能將數(shù)據(jù)鎖存，待40列數(shù)據(jù)都存入74HC595器件內(nèi)時，把輸出有效引腳13(OE)置為低電平，則40列數(shù)據(jù)一起輸出，達到一行顯示的效果。依次類推，實現(xiàn)整個顯示屏的顯示功能。
    顯示部分的設計還要考慮最示方式和顯示狀態(tài)等。顯示方式有上移、下移、左移、右移等，其實現(xiàn)取決于從數(shù)據(jù)存儲區(qū)中取出數(shù)據(jù)放入顯示緩沖區(qū)時取數(shù)的順序，左右移每次取出中位數(shù)據(jù)，上下移則每次取出1行數(shù)據(jù)。顯示狀態(tài)則要考慮到顯示數(shù)字的移動速度和停留時間等。
    一般程序中將數(shù)據(jù)存儲器分為顯示緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)和接收緩沖區(qū)3部分。接收緩沖區(qū)存放PC機傳給單片機要顯示的數(shù)據(jù)；經(jīng)處理后按一定規(guī)律存儲在數(shù)據(jù)存儲區(qū)；再根據(jù)顯示方式依次從數(shù)據(jù)存儲區(qū)中取出數(shù)據(jù)放入顯示緩沖區(qū)中顯示。圖為4為顯示部分程序流程。

3．2 通信部分
    C8051F340有2個UART，將一個UART的TXD和RXD分別與MAX232的T1IN和R1OUT相連，MAX232的T1OUT和R1IN分別與PC機的串行接口COM1或COM2相連。注意通信協(xié)議和波特率要相一致。
    通信部分上位機軟件采用Visual C++編程。應用其開發(fā)串行通信方法有：(1)利用Windows API通信函數(shù)；(2)利用其標準通信函數(shù)inp、inpw、inpd、outp、outpw、outp等直接對串口操作；(3)使用Visual C++的通用控件(MSComm)；(4)利用第三方編寫的通信類程序。綜合考慮，上述各種方法的性能，這里采用第3種方法，即采用MSComm控件。
    MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應用程序提供串行通訊功能。MSComm控件在串口編程時非常方便，程序員不必了解較為復雜的API函數(shù)，而且在VC、VB、Delphi等語言中均可使用。表1為MSComm控件較為重要和常用屬性。

4 結(jié)束語
    LED點陣顯示屏控制系統(tǒng)以C8051F340單片機為基礎，采用其自身的RAM和Flash存儲器作為數(shù)據(jù)存儲器，利用MAX232作為RS232和單片機的接口轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)與PC機的數(shù)據(jù)傳輸，也可以隨時更新顯示內(nèi)容。采用C和匯編語言混合編程，其中顯示模塊的關鍵部分代碼采用匯編語言編寫，因該系統(tǒng)采用基于Keil C51的編程，故具有較好移植性。