LED大屏幕輸出電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要： 在研究目前LED 大屏幕控制電路的基礎(chǔ)上，提出了一種提高輸出速度的實(shí)現(xiàn)方法。文中給出了該方法的原理與電路圖，并探討了不同計(jì)數(shù)方式下，數(shù)據(jù)的組織與顯示的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。此方法如果與FPGA/ CPLD 改造、使用更高頻率單片機(jī)的方式相結(jié)合，將會(huì)進(jìn)一步提高大屏幕控制電路的性能。改造電路可以高至單片機(jī)主頻的1/ 4 頻率送出顯示數(shù)據(jù)，文中說(shuō)明了使用此方式時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1 引 言

在LED大屏幕等顯示系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)輸出速度的要求日益提高的背景下，當(dāng)前對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行改造的過(guò)程中，首選的辦法是更換更高速率的微處理器，而對(duì)硬件電路的挖潛往往容易被忽視。

在實(shí)踐運(yùn)用中，建議應(yīng)先考慮在原有的系統(tǒng)上進(jìn)行硬件電路改造，如仍不能滿足顯示要求，可再考慮更換高速率微處理器及用FPGA/ CPLD 器件進(jìn)行輸出電路替代處理的方案。本文以LED 大屏幕控制電路為例，提出了一種在硬件電路改造上提高顯示數(shù)據(jù)輸出速度的實(shí)現(xiàn)辦法。

2 數(shù)據(jù)輸出電路的優(yōu)化基理

由LED大屏幕的顯示原理可知，一個(gè)數(shù)據(jù)顯示在LED大屏幕的過(guò)程分為：從存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)與送入到LED板中顯示兩個(gè)步驟。這一過(guò)程需要產(chǎn)生如下控制信號(hào)：數(shù)據(jù)地址送入存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器讀信號(hào)，鎖存器開通及LED單元板中的行信號(hào)、HC595 的SCK 移位、RCK 鎖存、E 使能信號(hào)等。這些必需信號(hào)的產(chǎn)生增加了數(shù)據(jù)顯示過(guò)程的時(shí)間。如果能夠復(fù)用其中的信號(hào)，勢(shì)必減少這一過(guò)程的延時(shí)。在LED顯示系統(tǒng)中，常把顯示數(shù)據(jù)按行存儲(chǔ)到外部ROM/ RAM 中的辦法即是一例。該辦法設(shè)定存儲(chǔ)器的高位并接到L ED的行控制線上，數(shù)據(jù)按行儲(chǔ)存，送入數(shù)據(jù)地址后，按行讀出數(shù)據(jù)，并同時(shí)開通了行控制信號(hào)。下面的信號(hào)復(fù)用方案也是類似的原理。

圖1 　信號(hào)復(fù)用示例

在考查讀外存的MOVX 命令時(shí)發(fā)現(xiàn)：執(zhí)行該命令時(shí)可產(chǎn)生讀信號(hào)(RD # )，即讀外存時(shí)不但不需要另外去產(chǎn)生讀信號(hào)(RD # )，而且還可以將此信號(hào)供給鎖存器74HC273 及LED板上的移位信號(hào)SCK使用。這里要注意的是：在數(shù)據(jù)讀出后，SCK信號(hào)才送出，所以RD # 信號(hào)不可直接做SCK信號(hào)使用，必須做延時(shí)處理(最小延時(shí)必須要略大于RAM 的讀寫時(shí)間tRC與74HC273 的數(shù)據(jù)鎖存延時(shí)tTL H之和)。

而當(dāng)連續(xù)讀出一塊存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)時(shí)，需要通過(guò)程序產(chǎn)生新的地址賦值給數(shù)據(jù)口， 而這些地址都是順序變化的?；谶@一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)器電路用來(lái)保存讀數(shù)據(jù)時(shí)的初始地址，利用外部供給的脈沖，只要對(duì)計(jì)數(shù)器的保存地址進(jìn)行順序增加，即可將數(shù)據(jù)連續(xù)讀出。

單片機(jī)ALE 腳或是利用串行口工作方式也會(huì)產(chǎn)生一定頻率的脈沖，但沒有SPI 方式下產(chǎn)生的脈沖頻率高，且這兩種方式的使用均有一定的限制，而啟動(dòng)SPI 方式比較方便。串行外圍接口(Serial Perip heral Interface , SPI) 總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，是Motorola 首先在其MC68HCXX 系列處理器上定義的。SPI 系統(tǒng)有4 個(gè)I/ O 腳，它們是串行時(shí)鐘SPSCK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/ 從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI 和低位有效的從機(jī)選擇數(shù)據(jù)線SS.SP2SCK用于同步數(shù)據(jù)從MOSI 輸入和MISO 的輸出傳送。通過(guò)對(duì)SPI 控制寄存器SPCR 的設(shè)置，SPSCK的頻率最高可以達(dá)到振蕩器頻率( fOSC )的1/ 4。

因?yàn)镾PI 模式可方便產(chǎn)生出較高頻率脈沖的優(yōu)點(diǎn)，即采用SPSCK作為計(jì)數(shù)器的脈沖，利用計(jì)數(shù)器對(duì)存儲(chǔ)器產(chǎn)生連續(xù)變化的地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速讀出。并且SPSCK 信號(hào)經(jīng)過(guò)變換與延時(shí)處理，可同時(shí)供給LED做SCK移位信號(hào)使用。

圖2 　SPI 在讀取存儲(chǔ)器的運(yùn)用

3 SPI 運(yùn)用的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

從上文可以得到這樣的啟示：在LED控制電路的設(shè)計(jì)中，可借助于SPI 模式讀取數(shù)據(jù)，即增加一塊SPI 模式的FLASH 存儲(chǔ)器，一方面可以保存重要文檔，另一方面可以利用SPSCK 產(chǎn)生的信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)器電路實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器高速讀數(shù)據(jù)，并且復(fù)用此信號(hào)產(chǎn)生屏幕顯示的控制信號(hào)。在給定了輸出數(shù)據(jù)的首地址并啟動(dòng)SPI 后，此方式使數(shù)據(jù)的讀出到屏幕顯示這一過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，同一信號(hào)源的全硬件方式大大減少了以往分別產(chǎn)生各控制信號(hào)方式時(shí)的銜接延時(shí)。圖3 為SPI 在LED大屏幕控制電路中的運(yùn)用示例。

圖3 　SPI 模式下的L ED 大屏幕控制電路圖

級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)根據(jù)RAM 的容量大小，即地址線的數(shù)目來(lái)確定。微處理器通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接SPI 串行存儲(chǔ)器， 驅(qū)動(dòng)器可以選擇7407 或7417 的型號(hào)。RM_MODE 用來(lái)區(qū)別不同的讀寫操作方式。當(dāng)RM_MODE = 1 時(shí)，是普通讀寫外部存儲(chǔ)器的方式，當(dāng)RM_MODE = 0 時(shí)，就可以讓主機(jī)作為主器件，串行FLASH 存儲(chǔ)器作為從器件，兩者以SPI 方式進(jìn)行通信，利用此時(shí)產(chǎn)生的SPSCK信號(hào)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行高速讀數(shù)據(jù)操作。同時(shí)SPSCK信號(hào)經(jīng)過(guò)變換與延時(shí)處理，可以供給LED做SCK 移位信號(hào)用。在計(jì)數(shù)脈沖的輸入端，可以使用跳線做加、減方式的選擇處理。當(dāng)脈沖接于計(jì)數(shù)器UP 端時(shí)， 為加計(jì)數(shù)方式， 接于DOWN 時(shí)，為減計(jì)數(shù)方式。圖3 也可擴(kuò)展并接多組計(jì)數(shù)器，多組RAM.

減計(jì)數(shù)器方式的運(yùn)用大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)輸出的靈活性。在LED大屏幕顯示中，加、減計(jì)數(shù)器配合使用，可以使相同一塊控制卡輸出數(shù)據(jù)的顯示長(zhǎng)度提高一倍。當(dāng)使用減計(jì)數(shù)器方式時(shí)，為了與使用加方式時(shí)LED大屏幕上顯示的圖文一致，必須對(duì)與減計(jì)數(shù)器連接的RAM 的數(shù)據(jù)進(jìn)行上、下半屏交換處理，并且在輸出時(shí)要在程序中改變數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)，給出的行控制信號(hào)(RCK) 也應(yīng)做倒序處理(見圖4)。