基于AVR單片機的LED顯示屏控制系統(tǒng)的研究

1 引言

　　LED 顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息傳播媒體，是集微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示系統(tǒng)。它以其色彩鮮艷、動態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長、工作性能穩(wěn)定而日漸成為顯示媒體中的佼佼者，廣泛應(yīng)用于廣告、證券、信息傳播、新聞發(fā)布等方面， 是目前國際上較為先進的宣傳顯示媒體[1].本文提出了一種主從式單片機的LED 顯示屏解決方案， 該設(shè)計方案利用AVR單片機自身的FLASH ROM 和RAM,外部無需任何存儲電路，電路結(jié)構(gòu)簡單。

　　2 系統(tǒng)的工作原理及總體方案設(shè)計

　　2. 1 AVR 單片機

　　AVR 單片機是增強型內(nèi)置Flash 的RISC（ReducedInstruction Set CPU） 精簡指令集高速8 位單片機，硬件采用哈佛（Harward） 結(jié)構(gòu)，達(dá)到一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令。支持在系統(tǒng)編程ISP,其中MEGA 系列還支持在應(yīng)用編程IAP.內(nèi)置的FLASH 程序存儲器可擦寫1000 次以上，給用戶的開發(fā)生產(chǎn)和維護帶來方便?？刹翆?0 萬次E PROM,為掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來方便。AVR 單片機有豐富的片內(nèi)資源，如RTC、WATCHDOG、A /D 轉(zhuǎn)換器、PWM 、USART、SPI、TWI 接口等，I / O 口功能強、驅(qū)動能力強。

　　2. 2 系統(tǒng)的工作原理

　　本設(shè)計采用AVR 系列單片機ATMEGA16 作為主控制器，以DS1302 時鐘芯片和16M 的外置晶振提供準(zhǔn)確時間標(biāo)準(zhǔn)、很方便的現(xiàn)實和校準(zhǔn)時間。

　　Atmega32 的內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。采用74HC245 存儲器作為信號功率放大。通過2 片74HC595 移位寄存器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的播放格式，ATMEGA32 卡內(nèi)帶32MFLASH,用戶可用專用上位機軟件對要顯示的內(nèi)容按照預(yù)定的顯示格式進行編輯后，通過RS485或RS232 接口，向顯示屏控制卡發(fā)送。發(fā)送結(jié)束后，控制卡可以脫開計算機，自動按照用戶設(shè)定的模式顯示所輸入的內(nèi)容，從而通過LED 顯示屏來顯示你所需要的內(nèi)容。直到下一次數(shù)據(jù)更新，所顯示的內(nèi)容一直保持。

　　2. 3 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

　　LED 點陣顯示系統(tǒng)由計算機、RS-232 通訊電路、控制電路和LED 點陣顯示電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　上位機完成把圖像和文字轉(zhuǎn)換成為顯示屏的顯示碼，并且把顯示信息發(fā)通過RS232 送到控制電路上?？刂齐娐愤x用具有32KB 片內(nèi)FLASH ROM 和2KB 片內(nèi)RAM 的AT2mega32 單片機，沒有外掛存儲器。如果要存儲更多的顯示信息，可以選用具有64KB 片內(nèi)FLASH ROM 的AT2mega64 或者具有128kB 片內(nèi)FLASH ROM 的AT2mega128,也可以外掛存儲器來增大存儲能力?？刂齐娐分饕瓿蓪︼@示數(shù)據(jù)的滾動和分割處理，然后通過異步串行口發(fā)送到每個單元板中。每塊單元板用16 × 32 單色點陣塊拼成的點陣屏，控制電路更新顯示單元板的顯示內(nèi)容時，對所有單元板按地址逐個發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，更新完所有子模塊數(shù)據(jù)后，再發(fā)送一個特殊的地址字0xFF 作為控制字，使所單元板同時更新顯示數(shù)據(jù)，這樣可以避免當(dāng)屏幕較大，單元板數(shù)量較多時各子模塊畫面更新不同步的問題。對本設(shè)計中完成的2 × 10 個單元板而言， 由于通訊速率限制，畫面更新速度最高可達(dá)56800 / （ 129 × 24 + 1 ） =18134 幀/ s,由于主控制電路還要完成全屏數(shù)據(jù)的分割和顯示內(nèi)容的移動控制， 所以其實際幀數(shù)低于上述值，不過用于普通的圖片顯示已經(jīng)可以達(dá)到要求。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3. 1 主控制器的選擇

　　Atmega32 是基于增強的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS 微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，Atmega32 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS /MHz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

　　Atmega32 有32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（ 具有同時讀寫的能力， 即RWW ） , 512 字節(jié)EEPROM,1K 字節(jié)SRAM,32 個通用I /O 口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器（ T /C） ,片內(nèi)/ 外中斷， 可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。

3. 2 單元板顯示電路單元

　　顯示驅(qū)動電路由RS232 轉(zhuǎn)換電路、子模塊地址標(biāo)識電路和點陣驅(qū)動電路組成。RS232 轉(zhuǎn)換電路和主機板中一樣， 同樣采用MAX485 作電平轉(zhuǎn)換。由于采用單片機的異步串行口進行多機通信進行數(shù)據(jù)傳輸，單元模塊應(yīng)該有和其位置相對應(yīng)的地址標(biāo)識地址標(biāo)識電路采用8 位并進串出芯片74HC595 和8 位撥碼開關(guān)組成，因此本系統(tǒng)最多可以容納255 個子模塊（ 地址0xFF 作為更新子模塊顯示的控制字）。

　　LED 點陣采用動態(tài)掃描法進行驅(qū)動，并且實現(xiàn)16 階灰度顯示，為了節(jié)省單片機程序中掃描程序的時間消耗，提高掃描速度，顯示數(shù)據(jù)采用并行輸出的方法。驅(qū)動電路采用譯碼器74HC138 和74HC245,分別實現(xiàn)行選和位選。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括上位機軟件的設(shè)計、下位機程序設(shè)計兩部分。

　　上位機軟件完成圖像和文字的編輯，通過計算機串行接口把顯示數(shù)據(jù)傳送到控制卡上?？刂瓶ń邮丈衔粰C的數(shù)據(jù)并通過內(nèi)部Boot Loader 區(qū)的程序進行FLASH ROM 內(nèi)顯示數(shù)據(jù)的自更新?？刂瓶ò扬@示數(shù)據(jù)進行分割處理后發(fā)送給每個單元板，并且完成顯示數(shù)據(jù)不同方式處理。

　　4. 1 下位機程序設(shè)計

　　下位機軟件設(shè)計分為兩大功能塊： 顯示部分和通信部分。顯示部分采用動態(tài)掃描的方式，實現(xiàn)對顯示屏要顯示的漢字、圖象、字符等數(shù)據(jù)信息進行傳輸控制以及顯示等功能。與PC 機的實時通信部分主要是利用單片機串口中斷接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)與計算機的實時數(shù)據(jù)信息傳輸。程序可以實現(xiàn)與計算機的通信，可非常方便地任意修改所要顯示的漢字、圖像等； 并使顯示屏可按你選擇顯示方式進行漢字或表格顯示。設(shè)計程序的流程圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

　　軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、顯示子程序和串口中斷服務(wù)程序。主程序為順序結(jié)構(gòu)，完成堆棧、中斷、串口的初始化設(shè)置后，循環(huán)調(diào)用顯示子程序，以及響應(yīng)串行接收或發(fā)送中斷指令；顯示子程序從顯示緩沖區(qū)取出字模，輸出行選通信號至P0 口并通過一個通用邏輯陣列74HC00D 輸出，配合列掃描信號，進行動態(tài)掃描顯示； 中斷服務(wù)程序串口接收PC 機發(fā)送的漢字機內(nèi)碼數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與計算機實時通信。程序各部分的功能， 由各個模塊分別實現(xiàn)。程序模塊有： 串口初始化模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、漢字首地址計算模塊、取字模塊、顯示模塊和移動模塊。系統(tǒng)顯示流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)顯示流程圖

4. 2 人機交互界面的設(shè)計

　　上位機軟件使用可視化編程工具Visual Basic.NET 開發(fā)，主要完成圖像的取點、線性補償和點陣數(shù)據(jù)生成。首先將圖像文件轉(zhuǎn)換為96 × 64 分辨率、256 階色深的單色灰度圖像，由于使用占空比驅(qū)動的LED 其占空比/ 亮度為對數(shù)特性，所以需加入指數(shù)特性調(diào)整為線性之后才能交付顯示系統(tǒng)進行顯示。

　　通過MSComm 控件實現(xiàn)PC 機與單元板的通信。系統(tǒng)主界面如圖4 所示。

圖4 上位機主界面

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)設(shè)計著重于對單色屏的研究，對于灰度不同的真彩色LED 顯示屏的設(shè)計以及設(shè)備的驅(qū)動，有待于進一步的學(xué)習(xí)探討。而且本設(shè)計所用的控制卡只能控制顯示屏的單色顯示，如果能顯示雙色，甚至三色那就更方便了。LED 顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像，不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。LED 甚至可以在信息指示燈、大屏幕顯示、液晶顯示（LCD） 的背照明等新技術(shù)中應(yīng)用。它是未來智能交通系統(tǒng)的顯示手段之一。

　　由于LED 顯示屏的分析、設(shè)計與實際應(yīng)用環(huán)境及應(yīng)用目的有很大關(guān)系，所以對其控制系統(tǒng)的要求也是不同的。如果顯示屏的面積要求很大，屏幕顯示的信息量超大，那么要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也隨之增大，如何設(shè)計出更理想的字模保存方法以及數(shù)據(jù)傳輸時的壓縮算法需要進一步的研究和探討。