基于MCS51單片機的大屏幕LED顯示屏高速控制方案

　　本方案的特點有兩個： 第一，雖然CPU還是通過并行總線給列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)，但是鎖存器的鎖存信號改用了CPU的控制信號RD，而不是常規(guī)用法的WR;第二，地址譯碼電路保證了LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲器的某一段的邏輯地址是重疊的，而不是常規(guī)用法，這兩組地址必須分開。

　　由于上述電路的一些簡單更改，單片機對LED顯示屏的顯示控制效率將發(fā)生明顯的變化。具體工作過程如下： 假定數(shù)據(jù)指針DPTR中已經(jīng)裝入了數(shù)據(jù)存儲器的地址，執(zhí)行指令“MOVXA，@DPTR”。這條指令的功能是CPU按DPTR的指向從外部數(shù)據(jù)存儲器中讀字模數(shù)據(jù)，讀到累加器A中；但是在本電路中，由于LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲器的某一段的邏輯地址是重疊的，也就是說，在執(zhí)行指令“MOVXA，@DPTR”時，DPTR除了指向外部數(shù)據(jù)存儲器的某個地址外，還選中了某一個LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器。如果此時被選中的這個鎖存器的鎖存引腳正好有打入脈沖來到，那么鎖存器也就將從外部數(shù)據(jù)存儲器送出的字模數(shù)據(jù)鎖住了。這個打入脈沖用的就是RD。RD是CPU在執(zhí)行指令“MOVXA，@DPTR”時向外部數(shù)據(jù)存儲器發(fā)出的讀控制信號。由于MCS51系列單片機的讀控制信號RD和寫控制信號WR的時序完全相同［2］，RD代替WR實現(xiàn)鎖存功能，當然也就沒有什么懸念了。這條指令在執(zhí)行時，在完成對數(shù)據(jù)存儲器讀的同時，又完成了對LED點陣片的寫，因此加快了顯示控制的過程。

　　前面講過，并行總線時CPU完成1次向LED點陣片的列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序過程，大約需要十幾μs；而現(xiàn)在只要4 μs，快多了，因為現(xiàn)在完成1次向LED點陣片的列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序過程只要兩步，首先給數(shù)據(jù)指針DPTR賦有效地址，接著CPU按DPTR的指向從外部數(shù)據(jù)存儲器中讀字模數(shù)據(jù)，與此同時也將字模數(shù)據(jù)傳給了LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器。2條指令，4個機器周期，4 μs。這里要補充說明一點，在編制全部LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序時，不要用循環(huán)指令，因為那樣每次過程又得增加2 μs；要采用對LED點陣片逐片編程的方法，這樣編出來的程序雖然占空間，但節(jié)省了時間。用空間換時間的設計方法，有時也是設計人員值得嘗試的一種方法。

　　本電路的行驅(qū)動鎖存器的鎖存控制，還是用CPU的寫控制信號WR，不作更改。行驅(qū)動鎖存器的片選信號也來自地址譯碼電路。為了避免數(shù)據(jù)存儲器和LED點陣片之間的相互干擾，與這組地址對應的數(shù)據(jù)存儲器的這部分存儲空間就不用它了。

　　地址譯碼電路的設計，應保證LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲器的某一段的邏輯地址是重疊的。具體設計舉例如下：

　　假定某一塊LED顯示屏用了240片LED點陣片，可顯示16×16的漢字60個，用1片MCS51系列單片機進行高速控制。這240片LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址就應有240個，地址譯碼電路必須保證譯碼后的有效地址大于這個數(shù)量。圖1中的地址譯碼電路，輸入的地址信號是A0～A7和A11～A15，沒有接入A8、A9、A10。用74LS138譯碼器，三級譯碼后可得到256根有效地址線，第1根有效地址線對應外部數(shù)據(jù)存儲器的8個地址：0000H、0100H、0200H、0300H、0400H、0500H、0600H、0700H。第2根有效地址線對應外部數(shù)據(jù)存儲器的8個地址：0001H、0101H、0201H、0301H、0401H、0501H、0601H、0701H。……第256根有效地址線對應外部數(shù)據(jù)存儲器的8個地址：00FFH、01FFH、02FFH、03FFH、04FFH、05FFH、06FFH、07FFH。這256根有效地址線，240根給列驅(qū)動電路的片選地址，余下的給行驅(qū)動電路的片選地址；如果不夠用，行驅(qū)動電路可考慮改為串行總線的方式進行控制。上述分析結果表明，1片LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的8個字節(jié)的地址建立了重疊關系。這是因為每片LED點陣片都有8行，每行都對應1個字節(jié)的字模數(shù)據(jù)。

　　上述分析結果還表明，全部LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的0000H～07FFH地址段建立了映射關系。數(shù)據(jù)存儲器0000H～07FFH中存放的正好是一幀圖像的全部字模數(shù)據(jù)。

4 高速控制方案在LED顯示屏中的應用

　　現(xiàn)在商業(yè)上用的大屏幕LED顯示屏，用到的LED點陣片成百、上千甚至幾千片。單片機對LED顯示屏的控制，包括單片機與PC機的通信、字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理以及顯示控制三個部分。1片單片機要與PC機通信，又要進行數(shù)據(jù)處理，還要進行顯示控制，肯定是忙不過來的。

　　為了解決大屏幕LED顯示屏的控制問題，許多文獻都對控制方案作了成功的設計。不少方案［36］的基本思路是數(shù)據(jù)處理由一片單片機完成，顯示控制由另一片單片機或一個專門設計的電路完成。這些方案的控制效率雖然很高，但是電路比較復雜。

圖2 數(shù)據(jù)存儲器分段選擇開關電路

本方案的基本思路是，單片機與PC機的通信、數(shù)據(jù)處理及顯示控制都由1片單片機完成。顯示控制采用本文提出的高速控制方案，電路簡單，而且顯示控制的效率很高。例如，LED點陣片采用常用的6 cm×6 cm外廓尺寸的LED點陣片時，屏幕面積小于2 m2時，1片MCS51系列單片機就可以完成。但是，高速控制方案用于大屏幕LED顯示屏，還有一些問題要解決：

　?、?單片機與PC機的通信問題。大屏幕LED顯示屏與PC機連接時，PC機用來編輯待顯示的內(nèi)容，并將內(nèi)容傳給大屏幕LED顯示屏中的單片機。PC機與單片機通信時，不會干擾顯示屏的工作。因為顯示屏工作時，是一場一場顯示的，場與場之間有黑屏的時間，利用黑屏的時間進行通信完全沒有問題。

　?、?增加顯示場次的問題。大部分顯示屏的工作方式是，顯示的內(nèi)容一場、一場、又一場，如此循環(huán)。前面的設計只考慮了顯示一幀圖像時，LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的一段建立映射關系的問題，因此只能顯示一場定格的圖像。在圖1的基礎上增加圖2，可以使LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的多段建立映射關系。工作時，由P1口控制多路開關，切換數(shù)據(jù)存儲器的不同段和LED點陣片的I/O接口地址映射，于是顯示屏就可以一場一場地循環(huán)顯示了。如果擴充外部數(shù)據(jù)存儲器的片數(shù)，并由P1口使能其中的一片有效，那么將可以擴充更多的段和LED點陣片的I/O接口地址建立映射關系，這樣的話，像拉幕、流水等一些顯示效果，也就可以實現(xiàn)了。

　?、?字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理問題。顯示的方式比較多，比如有定格、拉幕、流水，流水方式中又有向左流水、向右流水等。在轉換顯示方式時，就必須進行一次字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理，用1片單片機，這也不會成為問題。因為轉換顯示方式時，本來要黑屏1 s至幾s，這段時間也就正好用來進行數(shù)據(jù)處理了。

結語

　　本LED顯示屏的高速控制方案，經(jīng)應用證明工作穩(wěn)定、可靠，且電路簡單，特別適合銀行匯率顯示屏、利率顯示屏使用。另外本文提出的靈活運用讀指令的思路，也可以提供給人們作為借鑒。