基于AVR單片機(jī)的LED顯示屏應(yīng)用設(shè)計(jì)

LED點(diǎn)陣塊具有亮度高、發(fā)光均勻、可靠性好、拼裝方便等優(yōu)點(diǎn)，能構(gòu)成各種尺寸的顯示屏。目前，LED顯示屏已被廣泛應(yīng)用于文字顯示并取得了很好的效果，但是大部分僅能顯示滾動(dòng)的文字信息而不能顯示圖像，并且還存在系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。本文提出了一種主從式單片機(jī)的LED顯示屏解決方案，該設(shè)計(jì)方案利用AVR單片機(jī)自身的FLASH ROM和RAM，外部無(wú)需任何存儲(chǔ)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像的16階灰度顯示，可廣泛用于商場(chǎng)、車站等公共場(chǎng)合。

1 AVR單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　AVR單片機(jī)是增強(qiáng)型內(nèi)置FLASH的RISC(ReducedInstruction Set CPU)精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)，硬件采用哈佛(Harward)結(jié)構(gòu)，達(dá)到一個(gè)時(shí)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(chǔ)器可擦寫(xiě)1 000次以上，給用戶的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和維護(hù)帶來(lái)方便?？刹翆?xiě)10萬(wàn)次的E2PROM，為掉電后數(shù)據(jù)的保存帶來(lái)方便。AVR單片機(jī)有豐富的片內(nèi)資源，如RTC，WATCHDOG，AD轉(zhuǎn)換器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，I／O口功能強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　LED顯示系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：PC上位機(jī)圖像文字轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)發(fā)送單元、主控單元以及顯示子模塊。

　　上位機(jī)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)送到主控單元上。主控單元選用具有32 kB片內(nèi)FLASH ROM和2 kB片內(nèi)RAM的AT-mega32單片機(jī)，沒(méi)有外掛存儲(chǔ)器。如果要存儲(chǔ)更多的顯示信息，可以選用具有64 kB片內(nèi)FLASH ROM的AT-mega64或者具有128 kB片內(nèi)FLASH ROM的AT-megal28，也可以外掛存儲(chǔ)器來(lái)增大存儲(chǔ)能力。主控單元主要完成對(duì)顯示數(shù)據(jù)的滾動(dòng)和分割處理，然后通過(guò)異步串行口發(fā)送到每個(gè)子模塊中。每個(gè)顯示子模塊用4片8×8單色點(diǎn)陣塊拼成1個(gè)16×16的點(diǎn)陣屏，用一片ATmega8完成掃描動(dòng)態(tài)顯示。

　　主控單元與顯示子模塊的數(shù)據(jù)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的異步串口格式，每幀數(shù)據(jù)包括1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)地址／數(shù)據(jù)標(biāo)示位，1個(gè)停止位共11位。數(shù)據(jù)傳輸碼率為625 kb／s，字節(jié)傳輸速率為56.8 kB／s。每個(gè)子模塊由256個(gè)LED構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)16階灰度每個(gè)LED需要4 b空間，因此每個(gè)顯示子模塊全屏數(shù)據(jù)量為128 B，外加1 B的尋址字節(jié)共129 B。主控單元更新顯示子模塊的顯示內(nèi)容時(shí)，對(duì)所有子模塊按地址逐個(gè)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(gè)特殊的地址字0xFF作為控制字，使所有子模塊同時(shí)更新顯示數(shù)據(jù)，這樣可以避免當(dāng)屏幕較大，顯示子模塊數(shù)量較多時(shí)各子模塊畫(huà)面更新不同步的問(wèn)題。對(duì)本設(shè)計(jì)中完成的6×4個(gè)顯示子模塊而言，由于通訊速率限制，畫(huà)面更新速度最高可達(dá)56 800／(129×24+1)=18.34幀／s，由于主控單元還要完成全屏數(shù)據(jù)的分割和顯示內(nèi)容的移動(dòng)控制，所以其實(shí)際幀數(shù)低于上述值，不過(guò)用于普通的圖片顯示已經(jīng)可以達(dá)到要求。

　　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，可以不需要PC上位機(jī)，只需把要顯示的信息存儲(chǔ)在主控單元，即可通過(guò)主控單元中的按鍵來(lái)選擇顯示的內(nèi)容及方式，可循環(huán)顯示，文字信息還可以上下左右滾屏顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)由兩部分硬件電路組成：主機(jī)板電路和子模塊顯示驅(qū)動(dòng)電路。

　　3.1 主機(jī)板電路

　　主機(jī)板電路十分簡(jiǎn)潔，由ATmega32組成的最小系統(tǒng)和RS 232，RS 485接口電路組成。

　　主機(jī)板上的數(shù)據(jù)由異步串行口發(fā)送到各個(gè)子模塊中，為了在提高傳輸速度和距離的情況下仍能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，主機(jī)板上發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成為RS 485信號(hào)，采用帶屏蔽層的同軸電纜傳輸?shù)絃ED子模塊上。轉(zhuǎn)換所用接口芯片為MAX485，該芯片工作于5 V電壓下，最高傳輸速度可達(dá)到2.5 Mb／s，傳輸距離可達(dá)l 200 m。采用帶屏蔽層的同軸電纜可以降低傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)干擾。

　　在需要從PC上位機(jī)下載數(shù)據(jù)到FLASH ROM時(shí)，通過(guò)MAX232芯片實(shí)現(xiàn)ATmega32和PC機(jī)的通信。

　　3.2 子模塊顯示驅(qū)動(dòng)電路

　　子模塊顯示驅(qū)動(dòng)電路由RS 485轉(zhuǎn)換電路、子模塊地址標(biāo)識(shí)電路和點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路組成。RS 485轉(zhuǎn)換電路和主機(jī)板中一樣，同樣采用MAX485作電平轉(zhuǎn)換。

　　由于采用單片機(jī)的異步串行口進(jìn)行多機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)子模塊應(yīng)該有和其位置相對(duì)應(yīng)的地址標(biāo)識(shí)。地址標(biāo)識(shí)電路采用8位并進(jìn)串出芯片74HCl65和8位撥碼開(kāi)關(guān)組成，因此本系統(tǒng)最多可以容納255個(gè)子模塊(地址OxFF作為更新子模塊顯示的控制字)。如果簡(jiǎn)單地通過(guò)軟件內(nèi)部的設(shè)定來(lái)決定各個(gè)子模塊的地址，每個(gè)AT-mega8所對(duì)應(yīng)的程序會(huì)有差別，這樣會(huì)給程序的燒寫(xiě)帶來(lái)不便，因此采用外部硬件電路對(duì)子模塊的地址進(jìn)行標(biāo)識(shí)。采用74HC165作串并行轉(zhuǎn)換是為了節(jié)省單片機(jī)的引腳資源。

LED點(diǎn)陣采用動(dòng)態(tài)掃描法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)16階灰度顯示，為了節(jié)省單片機(jī)程序中掃描程序的時(shí)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(dòng)電路采用4-16譯碼器74HC154譯碼后驅(qū)動(dòng)16個(gè)中功率三極管8550作為行選，2個(gè)8位數(shù)據(jù)鎖存器74LS373作為行數(shù)據(jù)鎖存。