基于雙RAM技術(shù)的矩形LED顯示屏的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

長(zhǎng)條的LED顯示屏在生活中應(yīng)用得很多，這種顯示屏的控制電路簡(jiǎn)單，掃描線(xiàn)有限，顯示信息量也不是很大。當(dāng)顯示信息量比較大時(shí)，若采用一般的長(zhǎng)屏顯示屏，顯示信息過(guò)慢，即使采用超長(zhǎng)屏的顯示屏，其數(shù)據(jù)輸出速率也很低，而且顯示屏的刷新頻率也不一定能滿(mǎn)足顯示需求。矩形顯示屏顯示的信息量大，并且可以按需要擴(kuò)展顯示屏的高度，不存在頻率上的限制，能夠彌補(bǔ)長(zhǎng)條顯示屏顯示信息時(shí)存在的不足。本設(shè)計(jì)使用雙RAM技術(shù)來(lái)組織用于控制矩形顯示屏的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提高了信息垂直循環(huán)顯示時(shí)的存儲(chǔ)器效率，大幅度降低了對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的占用率，并且對(duì)刷新頻率的要求也不是很高。

1 顯示數(shù)據(jù)組織

需要顯示的區(qū)域小于或等于實(shí)際顯示區(qū)域時(shí)，采用靜態(tài)顯示即可。但大多時(shí)候需要顯示的區(qū)域大于或等于實(shí)際顯示區(qū)域，如圖1所示。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的分析，本文將顯示區(qū)域高度設(shè)置為LED顯示屏高度的4倍，寬度等于LED顯示屏寬度。設(shè)顯示屏的高度為L(zhǎng)h，寬度為L(zhǎng)w，則顯示區(qū)域高度Dh=4Lh，寬度Dw=Lw。本文以單色顯示作為描述對(duì)象，且Bw=Bn=8(Bw為掃描線(xiàn)條數(shù)，Bn為輸出數(shù)據(jù)寬度)，如圖1所示。

對(duì)于一個(gè)LED顯示屏，寬度Lw和高度Lh確定后，顯示屏單元板的排列方式也就確定了。單元板相鄰的兩條掃描線(xiàn)之間的距離為Sw，顯示屏有Bw條掃描線(xiàn)，分別是Y0，Y1，…，YBw-1。每Sw行對(duì)應(yīng)一位顯示數(shù)據(jù)，顯示屏上的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)器中某個(gè)字節(jié)的某一位。Bw條掃描線(xiàn)分別指向：Y0=O，Y1=Sw，…，BBw-1=(Bw-1)Sw。用靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)組織方法分別對(duì)顯示塊A、B、C、D組織顯示數(shù)據(jù)。首先對(duì)顯示塊A的顯示信息進(jìn)行組織(X為列號(hào))：

①X=0，即當(dāng)前掃描線(xiàn)各行與第O列相交各點(diǎn)的顯示數(shù)據(jù)按D0，D1，…，DBw-1的順序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器的第一個(gè)存儲(chǔ)單元中。

②X值增加1，當(dāng)前掃描線(xiàn)各行與X值對(duì)應(yīng)列相交各點(diǎn)的顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器的下一個(gè)存儲(chǔ)單元中。直至將X=O至X=Dw-1的Dw個(gè)數(shù)據(jù)按順序全部存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。

③Bw條掃描線(xiàn)向下移動(dòng)一行，重復(fù)第①至②步，直到Y(jié)0移動(dòng)到Sw-1行時(shí)。

④數(shù)據(jù)組織結(jié)束。

顯示區(qū)域B、C、D分別按照A的數(shù)據(jù)組織方式去組織顯示數(shù)據(jù)。組織后的顯示數(shù)據(jù)塊按A、B、C、D的順序存儲(chǔ)在RAM0里，然后將RAM0中的顯示數(shù)據(jù)塊A、B、C、D按B、C、D、A的順序拷貝到RAMl中，任何兩個(gè)相鄰顯示塊的顯示數(shù)據(jù)在兩塊RAM中都有相同的地址存儲(chǔ)區(qū)域。RAM0和RAMl的顯示數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

如圖2所示，掃描組1從Y0=0到Y(jié)0=Sw-1，對(duì)應(yīng)顯示塊A，數(shù)據(jù)已組織存放在存儲(chǔ)器中，可以直接輸出顯示數(shù)據(jù);掃描組2從Y0=Lh到Y(jié)0=Lh+ Sw-1，對(duì)應(yīng)顯示塊B也已經(jīng)組織好，可以直接輸出。但是掃描組3，它的位置非同一般，它的掃描線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)著兩個(gè)塊A和B;第O，1，…Bw-1條掃描線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)顯示塊A掃描組1的1，2，…，Bw-2;而第Bw-1條掃描線(xiàn)就對(duì)應(yīng)顯示塊B掃描組2的第O條掃描線(xiàn)。如果要在顯示屏上顯示掃描組3對(duì)應(yīng)的這一屏數(shù)據(jù)，就一定要同時(shí)使用到掃描組1的第1，2，…，Bw-1條掃描線(xiàn)和掃描組2的第O條掃描線(xiàn)組織的顯示數(shù)據(jù)作為輸出數(shù)據(jù)。由于顯示塊A和B的顯示數(shù)據(jù)是分別組織的，這時(shí)就要取RAM0的D0，D2，…，DBw-1和RAMl的D0位作為輸出到顯示屏的Bw位數(shù)據(jù)，這就需要在兩塊RAM同時(shí)輸出的2Bw位中選擇需要的Bw位作為輸出數(shù)據(jù)，并且這Bw位數(shù)據(jù)是連續(xù)的。

顯示步驟(在此只考慮垂直移動(dòng)顯示效果);雙RAM技術(shù)將顯示數(shù)據(jù)輸出的時(shí)候，是將兩塊RAM中相同地址的兩個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)輸出。所以，如果設(shè)置RAMO為主存儲(chǔ)器，RAMl為從存儲(chǔ)器，則將兩塊RAM的顯示數(shù)據(jù)存在一塊串行存儲(chǔ)器中時(shí)，偶地址單元應(yīng)存儲(chǔ)RAM0的數(shù)據(jù)，奇地址單元存儲(chǔ)RAMl的數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)寬度為8，所以每次輸出16位數(shù)據(jù)。如果顯示區(qū)域中以(XL，YL)點(diǎn)為顯示起始點(diǎn)，在LED屏上顯示一屏顯示信息，則其數(shù)據(jù)選擇控制位只與YL、掃描線(xiàn)和掃描寬度Sw有關(guān)。顯示區(qū)域的起始行坐標(biāo)為YL，一塊顯示區(qū)域有Bw·Sw行，則YL所在的塊為：

這里討論YL在實(shí)際顯示區(qū)域的坐標(biāo)沒(méi)有多大意義，只須注意YL在當(dāng)前顯示塊的相對(duì)坐標(biāo)，NL=YL%(Bw·Sw)就是YL在當(dāng)前顯示塊的相對(duì)縱坐標(biāo)，則相對(duì)坐標(biāo)為(NL，YL)。動(dòng)態(tài)顯示的基礎(chǔ)是靜態(tài)顯示，靜態(tài)顯示以從特定行顯示一屏為特征，當(dāng)顯示屏從第YL行開(kāi)始顯示信息時(shí)，因?yàn)橐粔K顯示區(qū)域有Sw·Dw個(gè)數(shù)據(jù)，則YL所在塊顯示數(shù)據(jù)的起始地址為：

一塊顯示區(qū)域分為Sw個(gè)區(qū)，則YL所在的分區(qū)記作：

一區(qū)存放有Dw個(gè)顯示數(shù)據(jù)，所以YL所在分區(qū)地址與所在塊起始地址之間的相對(duì)偏移地址為(YL%Sw)·Dw。所以，只要知道了顯示信息的起始行坐標(biāo)，就能得到顯示數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)地址。

NL=YL/(Bw·Sw)，這里記i=NL/Sw(0≤i≤7)，表示顯示信息跨越兩個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)需要選擇的數(shù)據(jù)位數(shù)。存儲(chǔ)器輸出16位數(shù)據(jù)[D0，D1，…，D15]后，從Di位控制選擇連續(xù)的8位數(shù)據(jù)[Di，Di+1，…，D7，…，D7+i]輸出到顯示屏。當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)字節(jié)的Di位開(kāi)始輸出16位時(shí)，如[Di，Di+1，…，D7，…，D15，D0，…，Di-1]，前面8位在當(dāng)前顯示是多余的幾位數(shù)據(jù)，后面8位數(shù)據(jù)[D8+i，…，D15，D0，…，Di-1]正好是要輸出到顯示屏的8位數(shù)據(jù)。當(dāng)這16位數(shù)據(jù)串行輸出到一個(gè)8位的移位寄存器中時(shí)，移位寄存器剛好可以容納高8位數(shù)據(jù)，并將其輸出顯示。之后各列數(shù)據(jù)的輸出情況同樣如此，不需要額外的指令或電路來(lái)對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇輸出。只是在每行第一列數(shù)據(jù)輸出前，通過(guò)單片機(jī)模擬i個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出到存儲(chǔ)器，讓輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)位，使數(shù)據(jù)從Di位開(kāi)始輸出。另外，當(dāng)顯示信息剛好是A、B、C、D塊中的某一塊時(shí)，無(wú)須產(chǎn)生模擬脈沖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，而是直接將數(shù)據(jù)輸出顯示。通過(guò)分析可知，SPI模塊剛好具有這個(gè)功能，通過(guò)單片機(jī)額外模擬i個(gè)時(shí)鐘脈沖，輸出到串行存儲(chǔ)器的時(shí)鐘信號(hào)端，可以使數(shù)據(jù)錯(cuò)位，從指定的某一位Di開(kāi)始輸出。當(dāng)顯示信息跨越Sw-1區(qū)間時(shí)，如果一場(chǎng)顯示還沒(méi)有完畢，內(nèi)存地址應(yīng)返回到Y(jié)L所在塊的起始地址，并從起始地址開(kāi)始輸出顯示數(shù)據(jù)，單片機(jī)模擬的脈沖數(shù)i也相應(yīng)發(fā)生變化。

2 LED顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED顯示屏控制電路。為了提高數(shù)據(jù)輸出效率，采用Ramtron公司的帶SPI功能模塊的VRS51L3074單片機(jī)。VRS51L3074的時(shí)鐘頻率為40 M-Hz，指令周期短，處理速度快，效率高;工作電壓在3.3 V左右，但是可以兼容5 V。SST25VF016B是一款具有SPI接口的8引腳串行Flash。7 4LSl64為移位寄存器。

2.1 VRS51L3074的SPI功能模塊

VRS51L3074的SPI時(shí)鐘頻率可以在SysClk/2～SysClk/1024范圍內(nèi)調(diào)整，SPI時(shí)鐘頻率最高可以達(dá)到20MHz。當(dāng)VRS51L3074作為SPI主機(jī)時(shí)，可以對(duì)SPI運(yùn)行控制、配置和狀態(tài)監(jiān)控以及其他的一些工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。

配置寄存器SPICONFIG：主要對(duì)片選信號(hào)控制模式、SPI中斷進(jìn)行設(shè)置。

狀態(tài)寄存器SPISTATUS：主要用于對(duì)SPI運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

傳輸字長(zhǎng)寄存器SPISIZE：設(shè)置傳輸字長(zhǎng)，本文設(shè)置為16位，即每次輸出16位數(shù)據(jù)。

控制寄存器SPICTRL：對(duì)SPI時(shí)鐘速率、時(shí)鐘相位/極性、片選信號(hào)，以及SPI時(shí)鐘頻率進(jìn)行設(shè)置。

數(shù)據(jù)寄存器SPIRXTX0～SPIRXTX3：用于對(duì)SPI接口32位收發(fā)緩沖器的訪(fǎng)問(wèn)，對(duì)數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫(xiě)操作是將數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖器中，對(duì)數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行讀操作是從接收緩沖器中取出收到的數(shù)據(jù)。SPI接口的發(fā)送和接收緩沖器都采用雙緩沖結(jié)構(gòu)，從硬件上減少數(shù)據(jù)沖突并提高數(shù)據(jù)傳輸效率。在主模式下對(duì)SPIRXTX0寄存器執(zhí)行寫(xiě)入操作將啟動(dòng)SPI傳輸。當(dāng)傳輸字各行長(zhǎng)大于8時(shí)，應(yīng)最后向SPIRXTX0寄存器寫(xiě)入。

向串行Flash輸入控制信號(hào)和數(shù)據(jù)地址后，啟動(dòng)串行Flash傳輸數(shù)據(jù)，在SPI時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下輸出顯示數(shù)據(jù)，并且可以用單片機(jī)模擬串行Flash時(shí)鐘信號(hào)控制任意位數(shù)據(jù)輸出。

2.2 數(shù)據(jù)選擇控制電路

LED顯示屏控制系統(tǒng)如圖3所示，VRS51L3074單片機(jī)內(nèi)部自帶精確的40 MHz振蕩器，不需要外部晶振電路提供系統(tǒng)時(shí)鐘。數(shù)據(jù)顯示采用內(nèi)存為16 Mb的SST25VF016B。雙RAM技術(shù)輸出顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候，是將兩塊RAM中相同地址的兩個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)輸出，所以，將兩塊RAM的顯示數(shù)據(jù)存放在一塊串行存儲(chǔ)器中時(shí)，偶地址單元應(yīng)存儲(chǔ)RAM0的數(shù)據(jù)，奇地址單元存儲(chǔ)RAMl的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出時(shí)每次輸出16位數(shù)據(jù)。串行存儲(chǔ)器和單片機(jī)的工作電壓都在3.3 V左右，但是VRS51L3074可以兼容5V，簡(jiǎn)化了控制電路?？刂菩盘?hào)和顯示數(shù)據(jù)在輸出到寄存器74LS164和顯示屏的時(shí)候，需要用74LVC07進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

控制系統(tǒng)控制顯示數(shù)據(jù)輸出的流程為：

①將掃描線(xiàn)行地址通過(guò)P2端口的低4位送給LED顯示屏。

②通過(guò)顯示數(shù)據(jù)在顯示區(qū)域中的位置，計(jì)算顯示數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的地址，并計(jì)算出數(shù)據(jù)選擇的位數(shù)i。

③通過(guò)單片機(jī)P3.0口模擬移位脈沖，輸出到串行Flash時(shí)鐘信號(hào)，移位脈沖數(shù)由數(shù)據(jù)選擇位數(shù)i決定。使輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)位，正確地選擇輸出顯示數(shù)據(jù)。

④啟動(dòng)SPI讀取顯示數(shù)據(jù)，SPI傳輸字長(zhǎng)設(shè)置為16位。模擬脈沖已經(jīng)輸出到串行Flash使數(shù)據(jù)產(chǎn)生了錯(cuò)位，輸出16位數(shù)據(jù)[Di，Di+1，…，D7，…，D15，D0，…，Di-1]，輸出到顯示屏的數(shù)據(jù)[D8+i，…，D15，D0，…，Di-1]在高8位，經(jīng)過(guò)移位剛好可以存放在移位寄存器中。每行第一個(gè)數(shù)據(jù)輸出后，此行各列數(shù)據(jù)都直接輸出。

⑤16位數(shù)據(jù)輸出完畢后，通過(guò)P3.1腳產(chǎn)生一個(gè)SCK脈沖，將移位寄存器74LSl64中的數(shù)據(jù)輸出移入到單元板的串行移位寄存器74HC595中。

⑥重復(fù)第④至⑤步，直到一行數(shù)據(jù)全部輸出完畢后，由P3.2產(chǎn)生一個(gè)RCK脈沖，讀取的一行數(shù)據(jù)將輸出顯示，然后掃描線(xiàn)下移一行。

⑦重復(fù)第①至⑥步。

此電路有這樣幾個(gè)特點(diǎn)：顯示數(shù)據(jù)從串行Flash輸出后，不經(jīng)單片機(jī)的處理，直接以DMA方式輸出到移位寄存器74LSl64，同時(shí)實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，既節(jié)省數(shù)據(jù)處理時(shí)間，又提高顯示效率。在每場(chǎng)數(shù)據(jù)輸出之前，通過(guò)信息在顯示區(qū)域中的地址計(jì)算數(shù)據(jù)選擇位數(shù)i，并通過(guò)P3.O端口模擬i個(gè)脈沖輸出到串行Flash，移出i位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)位，使輸出顯示的數(shù)據(jù)在16位輸出數(shù)據(jù)的高8位，可以直接存放在移位寄存器中，輸出到顯示屏。以后同行各列的顯示數(shù)據(jù)輸出時(shí)，無(wú)需再進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇位的判斷，直接將顯示數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中輸出到顯示屏。

存儲(chǔ)器效率分析如表1所列。

由表1可知，采用雙RAM技術(shù)輸出顯示大大提高了存儲(chǔ)器效率，降低了顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的占用。當(dāng)顯示信息量較大時(shí)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)組織使用的存儲(chǔ)器比較多、利用率低，而采用雙RAM技術(shù)正好解決了這個(gè)問(wèn)題。一塊RAM(靜態(tài)顯示時(shí))的存儲(chǔ)器效率是100%，雙RAM的效率是50%。當(dāng)有N塊RAM時(shí)，效率為(N-1)/N。

針對(duì)圖3所示控制電路，按照數(shù)據(jù)輸出控制流程編寫(xiě)了程序代碼。隨機(jī)顯示一屏信息，顯示數(shù)據(jù)已按順序存儲(chǔ)在串行Flash中。

結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)利用串行Flash輸出數(shù)據(jù)時(shí)的特點(diǎn)，大大地減少了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，將顯示數(shù)據(jù)以DMA方式輸出到顯示屏，不但提高了顯示效率，而且彌補(bǔ)了長(zhǎng)條顯示屏在顯示信息上的不足。雙RAM技術(shù)大大提高了垂直移動(dòng)時(shí)的存儲(chǔ)器使用效率，所有的數(shù)據(jù)塊都是按靜態(tài)顯示方式組織數(shù)據(jù)，所以每一塊RAM的顯示數(shù)據(jù)效率都是100%，雙RAM的效率為50%。本文將顯示數(shù)據(jù)存放在一塊Flash中，效率也為50%，相比動(dòng)態(tài)顯示組織方式，降低了垂直移動(dòng)時(shí)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的占用率，提高了存儲(chǔ)效率。此外，還可以雙RAM技術(shù)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展出多RAM方式，提高顯示的高度，增加每屏顯示信息，進(jìn)一步提高存儲(chǔ)效率。本系統(tǒng)仍有改進(jìn)的空間，譬如以雙RAM組織顯示數(shù)據(jù)后直接用兩個(gè)RAM來(lái)存放不同的數(shù)據(jù)，控制顯示數(shù)據(jù)直接輸出，以提高輸出速率。