LED電子顯示屏的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理

摘要：采用發(fā)光二極管(LED)點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的電子顯示屏已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、公共場(chǎng)所等各個(gè)方面。用于小型公示場(chǎng)所的電子顯示屏是規(guī)模最小的一種。設(shè)計(jì)這類電子顯示屏的原則是，在滿足顯示要求的前提下，盡量節(jié)省投入，縮短開(kāi)發(fā)周期，以降低成本。而正確選擇、設(shè)計(jì)異步式LED電子顯示屏的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理方案，是設(shè)計(jì)這類電子顯示屏的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞：LED；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；讀／寫(xiě)速度

引言
    采用發(fā)光二極管(LED)點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的電子顯示屏已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、公共場(chǎng)所等各個(gè)方面。其規(guī)模和復(fù)雜程度各有所異，投入成本也差別很大。按照微處理器工作原理，可將電子顯示屏分為兩大類：同步型和異步型。前者的微處理器就是一臺(tái)電腦，顯示屏在電腦支持下工作。其優(yōu)點(diǎn)是規(guī)模大、顯示花樣多，可用于彩色顯示。很顯然，其缺點(diǎn)是成本高、體積大，須專業(yè)人員操作。異步型電子顯示屏的微處理器一般采用單片機(jī)(MCU)，顯示內(nèi)容由電腦通過(guò)通信方式發(fā)送到單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，顯示控制完全由單片機(jī)完成。異步型電子顯示屏具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、顯示刷新簡(jiǎn)單、無(wú)需專業(yè)人員操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于大規(guī)模、彩色、顯示花樣復(fù)雜的動(dòng)態(tài)顯示它卻無(wú)能為力。
    用于小型公示場(chǎng)所(例如公交車(chē)的到站提示等)的電子顯示屏是規(guī)模最小的一種，自然采用異步型系統(tǒng)比較合適。設(shè)計(jì)這類電子顯示屏的原則是，在滿足顯示要求的前提下，盡量節(jié)省投入，縮短開(kāi)發(fā)周期，以降低成本。為此，選擇通用型51系列單片機(jī)為核心是明智的選擇。

1 原理概述
    本電子顯示屏的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用的是共陰極(AS)的LED點(diǎn)陣模塊，行、列驅(qū)動(dòng)方法上與一般資料所述不同。由于篇幅限制，本文不作詳細(xì)論述。

    由圖1可以看出，本系統(tǒng)的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)與MCU通過(guò)地址鎖存器交換數(shù)據(jù)。小規(guī)模電子顯示屏的顯示內(nèi)容一般在幾十個(gè)到幾百個(gè)漢字，按一個(gè)漢字字模占用32字節(jié)計(jì)算，故32 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)900個(gè)漢字。實(shí)際上，由于漢字在動(dòng)態(tài)顯示時(shí)(例如左移、上移等)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，故需在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器預(yù)留3 KB左右的空間作為數(shù)據(jù)處理緩沖空間。這是對(duì)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量要求。
    有時(shí)候數(shù)據(jù)處理量是很大的。例如，一屏32個(gè)漢字左移，一次需處理32×32=1024個(gè)字節(jié)，處理過(guò)程有讀也有寫(xiě)，因此對(duì)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀／寫(xiě)速度有嚴(yán)格要求。否則，會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)處理消耗大量時(shí)間而造成閃爍。這是對(duì)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀／寫(xiě)速度的要求。
    電子顯示屏一次顯示的內(nèi)容通常希望重復(fù)顯示幾天、幾個(gè)星期甚至幾個(gè)月才得以更新。為此，片外RAM中漢字字模數(shù)據(jù)至少要能保存一個(gè)更新周期，不能因停電、下班而丟失。因此對(duì)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有掉電不丟失數(shù)據(jù)(即“不揮發(fā)”)的要求。

2 存儲(chǔ)器選擇
2．1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器性能比較
    開(kāi)發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中，關(guān)注過(guò)如表1所列的各種可能用于單片機(jī)擴(kuò)展的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片。

    表中所列的前3類都有掉電不丟失數(shù)據(jù)功能。第一類為光擦除程序存儲(chǔ)器，不能在線寫(xiě)入，只能用作只讀存儲(chǔ)器，顯然不適用于本系統(tǒng)。第二類為電擦除程序存儲(chǔ)器，在線寫(xiě)入數(shù)據(jù)不多時(shí)，也可以作為不揮發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。它是按頁(yè)(16字節(jié))寫(xiě)入，頁(yè)之間須有一定延時(shí)。由于本系統(tǒng)要求一次連續(xù)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)可能多達(dá)1 KB，故寫(xiě)入速度不能滿足要求。第三類為閃爍(Flash)存儲(chǔ)器，其讀／寫(xiě)速度應(yīng)該很快，但是在寫(xiě)入時(shí)也是和第二類一樣分塊寫(xiě)入。一塊為64字節(jié)，塊之間寫(xiě)入需要一定延時(shí)(ms級(jí))，故不能在指定地址連續(xù)大量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)以后，本系統(tǒng)也摒棄了這類存儲(chǔ)器。表中所列最后兩類都屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，讀／寫(xiě)速度都很快，其引腳完全和單片機(jī)愛(ài)好者所熟悉的6264(8KB)兼容，只要增加兩條地址線即可。HKl235-7實(shí)際上是62256加上保持?jǐn)?shù)據(jù)的電池組成的模塊。廣告宣傳數(shù)據(jù)可以保持10年不丟失，實(shí)際上，我們?cè)谝郧暗恼n題中使用發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不能保持這么長(zhǎng)時(shí)間，而且價(jià)格昂貴，是62256的10倍!無(wú)論開(kāi)發(fā)試驗(yàn)或者產(chǎn)品生產(chǎn)都不宜選擇HK1235-7模塊。
2．2 對(duì)62256的評(píng)價(jià)
    表中所列的62256屬于51系列單片機(jī)典型的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一片62256的容量為32 KB，完全可以滿足小規(guī)模顯示系統(tǒng)的要求。若用戶嫌容量不夠還可以擴(kuò)展第二片、第三片。62256的讀／寫(xiě)速度與單片機(jī)匹配，可以達(dá)到最快。而且，可以對(duì)任意指定地址進(jìn)行單個(gè)字節(jié)或者連續(xù)寫(xiě)入，一次寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)沒(méi)有限制。和其他RAM芯片一樣，其缺點(diǎn)是掉電不能保持?jǐn)?shù)據(jù)。在試驗(yàn)中，我們另辟蹊徑解決了這一問(wèn)題。

3 實(shí)現(xiàn)方法和效果
3．1 實(shí)現(xiàn)62256數(shù)據(jù)不揮發(fā)的方法
    參照HK1235-7模塊的方法，在靠近62256的電路板上增加了一顆專用于保持?jǐn)?shù)據(jù)的電池，如圖2所示。圖中二極管有兩方面作用：一是在電源停電時(shí)，防止鋰電池對(duì)其他元件放電，縮短保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間；二是在電源對(duì)鋰電池充電時(shí)，對(duì)電源電壓進(jìn)行鉗位。因?yàn)殇囯姵刈罡唠妷簽?．2 V左右，電源電壓為5 V，二極管正向飽和壓降為0．7 V左右，故可防止鋰電池的過(guò)充電。

3．2 調(diào)試中遇到的問(wèn)題
3．2．1 二極管選型問(wèn)題
    開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，選用檢波二極管4148作為鉗位二極管，使用不到一個(gè)星期發(fā)現(xiàn)被擊穿短路，無(wú)法保持?jǐn)?shù)據(jù)。后來(lái)改用整流二極管1N4007，長(zhǎng)期使用，未發(fā)現(xiàn)擊穿問(wèn)題。可能是在鋰電池充電電流比較大，特別是當(dāng)鋰電池剛充電時(shí)，本身電壓比較低，充電電流最大，故檢波二極管容易損壞。
3．2．2 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀／寫(xiě)技巧
    剛開(kāi)始調(diào)試顯示程序的時(shí)候，為了節(jié)省時(shí)間，沒(méi)有使用串口通信向62256注入漢字編碼(漢字字模)，而是將程序存儲(chǔ)器(ROM)的漢字字模傳送給62256。
    這樣的傳送過(guò)程必須有兩個(gè)地址指針才能完成，AT89S52正好滿足了這一要求。例如，將ROM中512字節(jié)的字模傳送給62256，程序流程如圖3所示。

    以下為此段子程序?qū)?yīng)的代碼全文。
           
   
    由上述程序清單可以看出，AT89S52并沒(méi)有實(shí)際獨(dú)立的兩個(gè)地址指針，而是通過(guò)修改特殊功能寄存器OA2H中的數(shù)據(jù)(0或者1)使一個(gè)地址指針指向兩個(gè)不同的16位地址，就像操作兩個(gè)地址指針一樣。
    程序清單中第一條指令對(duì)于讀／寫(xiě)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是必要的。如果不對(duì)P2口初始化，可能出現(xiàn)讀／寫(xiě)錯(cuò)誤，這一點(diǎn)是經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出的結(jié)論。
3．3 使用效果
    LED電子顯示屏的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方案經(jīng)調(diào)試后試運(yùn)行半年，工作正常。讀／寫(xiě)速度完全和MCU匹配，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為2天到1星期(視鋰電池充電容量而定)。這一數(shù)據(jù)保持周期完全能滿足實(shí)際使用需要。

4 結(jié)論
    ①用于LED電子顯示屏的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的芯片不但要滿足存儲(chǔ)容量要求，更加重要的是要滿足讀／寫(xiě)速度要求，還要能在一定周期內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。
    ②試驗(yàn)證明，采用62256加保持?jǐn)?shù)據(jù)電池是最佳方案。此方案已經(jīng)試運(yùn)行半年，完全符合使用要求，其成本也是最低的。