采用MCS51單片機(jī)的大屏幕LED顯示屏高速控制方案

摘要：以MCS51系列單片機(jī)為例，介紹單片機(jī)對(duì)大屏幕LED顯示屏的一種高速控制方案。單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的顯示控制，一般是先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)寫給LED點(diǎn)陣片。本方案的創(chuàng)新點(diǎn)是：用一條對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀指令，同時(shí)完成對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀和對(duì)LED點(diǎn)陣片的寫操作。本文詳細(xì)介紹高速控制方案的電路設(shè)計(jì)，并簡要提示軟件編制的要點(diǎn)；最后介紹高速控制方案在大屏幕LED顯示屏中的應(yīng)用。

引言

　　LED顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描。顯示控制的過程是先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得字模數(shù)據(jù)，再通過單片機(jī)的串行口或并行口將數(shù)據(jù)寫給LED點(diǎn)陣片，然后再行掃描。

　　動(dòng)態(tài)掃描方案和靜態(tài)顯示方案相比節(jié)省驅(qū)動(dòng)元件，但要求刷新頻率高于50 Hz，以避免顯示的圖像或文字出現(xiàn)閃爍。由于刷新頻率的限制，一片單片機(jī)能控制顯示元件的片數(shù)是較少的。

　　現(xiàn)在大屏幕LED顯示屏的應(yīng)用已越來越廣泛。為了對(duì)成百、上千片的LED點(diǎn)陣片實(shí)現(xiàn)有序的、快速的顯示控制，人們動(dòng)了許多腦筋，雙CPU、雙RAM的方案，F(xiàn)PGA的方案等都獲得了成功的應(yīng)用；但是這些方案的顯示控制過程還是先讀后寫。

　　本方案另開思路：用一條讀指令，將讀和寫合在一步完成，可大大地提高顯示控制的效率，且電路簡單。

1 LED顯示屏的工作原理

　　LED顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描。動(dòng)態(tài)掃描又分為行掃描和列掃描兩種方式，常用的方式是行掃描。行掃描方式又分為8行掃描和16行掃描兩種。

　　在行掃描工作方式下，每一片LED點(diǎn)陣片都有一組列驅(qū)動(dòng)電路，列驅(qū)動(dòng)電路中一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù)。在行掃描工作方式下，同一排LED點(diǎn)陣片的同名行控制引腳是并接在一條線上的，共8條線，最后連接在一個(gè)行驅(qū)動(dòng)電路上；行驅(qū)動(dòng)電路中也一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存行掃描信號(hào)。

　　LED顯示屏的列驅(qū)動(dòng)電路和行驅(qū)動(dòng)電路一般都采用單片機(jī)進(jìn)行控制，常用的單片機(jī)是MCS51系列。LED顯示屏顯示的內(nèi)容一般按字模的形式存放在單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，字模是8位二進(jìn)制數(shù)。

　　單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的控制過程是先讀后寫。按LED點(diǎn)陣片在屏幕上的排列順序，單片機(jī)先對(duì)第1排的第1片LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)鎖存器，寫入從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得的字模數(shù)據(jù)，接著對(duì)第2片、第3片……直到這一排的最后一片都寫完字模數(shù)據(jù)后，單片機(jī)再對(duì)這一排的行驅(qū)動(dòng)鎖存器寫行掃描信號(hào)，于是第1排第1行與字模數(shù)據(jù)相關(guān)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。接著第2排第1行、第3排第1行……直到最后一排第1行的點(diǎn)亮。各排第1行都點(diǎn)亮后，延時(shí)一段時(shí)間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的一行掃描控制。

　　單片機(jī)對(duì)LED顯示屏第2行的掃描控制、第3行的掃描控制……直到第8行的掃描控制，其過程與第1行的掃描控制過程相同。對(duì)全部8行的控制過程都完成后，LED顯示屏也就完成了1幀圖像的完整顯示。

　　雖然按這種工作方式，LED顯示屏是一行一行點(diǎn)亮的，每次都只有一行亮，但只要保證每行每秒鐘能點(diǎn)亮50次以上，即刷新頻率高于50 Hz，那么由于人的視覺惰性，所看到的LED顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像。

2 LED顯示屏的傳統(tǒng)控制方法

　　參考文獻(xiàn)［1］對(duì)LED顯示屏的控制電路作了歸納和比較。其中，顯示控制電路是按行掃描方式工作的，列控制電路分為兩大類。列控制電路中，一類是用74LS377之類的芯片作為列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器，CPU通過并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)；另一類是用移位寄存器74LS595之類的芯片作為列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器，CPU通過串行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)。

　　無論是并行總線的控制方式還是串行總線的控制方式，其工作過程都是先給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值，接著累加器A按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向，從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中讀得字模數(shù)據(jù)。然后，并行總線時(shí)，再給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值，接著CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向，寫給LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器；串行總線時(shí)，CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù)，通過串行口寫給LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器。

　　一般顯示控制中，使用較多的單片機(jī)是MCS51系列。假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)的晶振頻率是12 MHz，機(jī)器周期是1 μs，上述兩種控制方式完成1片LED點(diǎn)陣片的顯示控制都得十幾μs。

　　本文提出的高速控制方案，完成1片LED點(diǎn)陣片的顯示控制大約只要4 μs。按此推算，1片MCS51系列的單片機(jī)，差不多可以對(duì)600多片LED點(diǎn)陣片進(jìn)行顯示控制。與傳統(tǒng)的控制方法相比，顯示控制的效率成倍提高。

3 LED顯示屏的高速控制方案

圖1是高速控制方案LED顯示屏電路原理。采用MCS51系列單片機(jī)對(duì)LED顯示屏進(jìn)行控制；隨機(jī)存儲(chǔ)器62512用作LED顯示屏的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù)；采用8行掃描方式，多片LED點(diǎn)陣片共用1組行驅(qū)動(dòng)電路；每片LED點(diǎn)陣片都有一組列驅(qū)動(dòng)電路，用74LS377作為列驅(qū)動(dòng)的鎖存器，CPU通過并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)；地址譯碼電路，用于產(chǎn)生LED點(diǎn)陣片行驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址。

圖1 高速控制方案LED顯示屏電原理