基于MCS51單片機(jī)的大屏幕LED顯示屏高速控制設(shè)計(jì)方案
引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/350169.htmLED顯示屏的基本工作原理是動(dòng)態(tài)掃描。顯示控制的過(guò)程是先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀得字模數(shù)據(jù),再通過(guò)單片機(jī)的串行口或并行口將數(shù)據(jù)寫(xiě)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(lái)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(guò)程還是先讀后寫(xiě)。
本方案另開(kāi)思路:用一條讀指令,將讀和寫(xiě)合在一步完成,可大大地提高顯示控制的效率,且電路簡(jiǎn)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(lái)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(lái)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(guò)程是先讀后寫(xiě)。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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(guò)程與第1行的掃描控制過(guò)程相同。對(duì)全部8行的控制過(guò)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(jué)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(lèi)。列控制電路中,一類(lèi)是用74LS377之類(lèi)的芯片作為列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,CPU通過(guò)并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù);另一類(lèi)是用移位寄存器74LS595之類(lèi)的芯片作為列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器,CPU通過(guò)串行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)。
無(wú)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(guò)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(xiě)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(guò)串行口寫(xiě)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(guò)并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)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
本方案的特點(diǎn)有兩個(gè): 第一,雖然CPU還是通過(guò)并行總線給列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù),但是鎖存器的鎖存信號(hào)改用了CPU的控制信號(hào)RD,而不是常規(guī)用法的WR;第二,地址譯碼電路保證了LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(kāi)。
由于上述電路的一些簡(jiǎn)單更改,單片機(jī)對(duì)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的,也就是說(shuō),在執(zhí)行指令“MOVXA,@DPTR”時(shí),DPTR除了指向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某個(gè)地址外,還選中了某一個(gè)LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器。如果此時(shí)被選中的這個(gè)鎖存器的鎖存引腳正好有打入脈沖來(lái)到,那么鎖存器也就將從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器送出的字模數(shù)據(jù)鎖住了。這個(gè)打入脈沖用的就是RD。RD是CPU在執(zhí)行指令“MOVXA,@DPTR”時(shí)向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器發(fā)出的讀控制信號(hào)。由于MCS51系列單片機(jī)的讀控制信號(hào)RD和寫(xiě)控制信號(hào)WR的時(shí)序完全相同[2],RD代替WR實(shí)現(xiàn)鎖存功能,當(dāng)然也就沒(méi)有什么懸念了。這條指令在執(zhí)行時(shí),在完成對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀的同時(shí),又完成了對(duì)LED點(diǎn)陣片的寫(xiě),因此加快了顯示控制的過(guò)程。
前面講過(guò),并行總線時(shí)CPU完成1次向LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序過(guò)程,大約需要十幾μs;而現(xiàn)在只要4 μs,快多了,因?yàn)楝F(xiàn)在完成1次向LED點(diǎn)陣片的列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序過(guò)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(chǔ)器中讀字模數(shù)據(jù),與此同時(shí)也將字模數(shù)據(jù)傳給了LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器。2條指令,4個(gè)機(jī)器周期,4 μs。這里要補(bǔ)充說(shuō)明一點(diǎn),在編制全部LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的鎖存器寫(xiě)字模數(shù)據(jù)的程序時(shí),不要用循環(huán)指令,因?yàn)槟菢用看芜^(guò)程又得增加2 μs;要采用對(duì)LED點(diǎn)陣片逐片編程的方法,這樣編出來(lái)的程序雖然占空間,但節(jié)省了時(shí)間。用空間換時(shí)間的設(shè)計(jì)方法,有時(shí)也是設(shè)計(jì)人員值得嘗試的一種方法。
本電路的行驅(qū)動(dòng)鎖存器的鎖存控制,還是用CPU的寫(xiě)控制信號(hào)WR,不作更改。行驅(qū)動(dòng)鎖存器的片選信號(hào)也來(lái)自地址譯碼電路。為了避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和LED點(diǎn)陣片之間的相互干擾,與這組地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的這部分存儲(chǔ)空間就不用它了。
地址譯碼電路的設(shè)計(jì),應(yīng)保證LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的某一段的邏輯地址是重疊的。具體設(shè)計(jì)舉例如下:
假定某一塊LED顯示屏用了240片LED點(diǎn)陣片,可顯示16×16的漢字60個(gè),用1片MCS51系列單片機(jī)進(jìn)行高速控制。這240片LED點(diǎn)陣片列驅(qū)動(dòng)電路的片選地址就應(yīng)有240個(gè),地址譯碼電路必須保證譯碼后的有效地址大于這個(gè)數(shù)量。圖1中的地址譯碼電路,輸入的地址信號(hào)是A0~A7和A11~A15,沒(méi)有接入A8、A9、A10。用74LS138譯碼器,三級(jí)譯碼后可得到256根有效地址線,第1根有效地址線對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)地址:0000H、0100H、0200H、0300H、0400H、0500H、0600H、0700H。第2根有效地址線對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)地址:0001H、0101H、0201H、0301H、0401H、0501H、0601H、0701H。……第256根有效地址線對(duì)應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)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(dòng)電路的片選地址,余下的給行驅(qū)動(dòng)電路的片選地址;如果不夠用,行驅(qū)動(dòng)電路可考慮改為串行總線的方式進(jìn)行控制。上述分析結(jié)果表明,1片LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8個(gè)字節(jié)的地址建立了重疊關(guān)系。這是因?yàn)槊科琇ED點(diǎn)陣片都有8行,每行都對(duì)應(yīng)1個(gè)字節(jié)的字模數(shù)據(jù)。
上述分析結(jié)果還表明,全部LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0000H~07FFH地址段建立了映射關(guān)系。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yīng)用
現(xiàn)在商業(yè)上用的大屏幕LED顯示屏,用到的LED點(diǎn)陣片成百、上千甚至幾千片。單片機(jī)對(duì)LED顯示屏的控制,包括單片機(jī)與PC機(jī)的通信、字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理以及顯示控制三個(gè)部分。1片單片機(jī)要與PC機(jī)通信,又要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,還要進(jìn)行顯示控制,肯定是忙不過(guò)來(lái)的。
為了解決大屏幕LED顯示屏的控制問(wèn)題,許多文獻(xiàn)都對(duì)控制方案作了成功的設(shè)計(jì)。不少方案[36]的基本思路是數(shù)據(jù)處理由一片單片機(jī)完成,顯示控制由另一片單片機(jī)或一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(fù)雜。
圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分段選擇開(kāi)關(guān)電路
本方案的基本思路是,單片機(jī)與PC機(jī)的通信、數(shù)據(jù)處理及顯示控制都由1片單片機(jī)完成。顯示控制采用本文提出的高速控制方案,電路簡(jiǎn)單,而且顯示控制的效率很高。例如,LED點(diǎn)陣片采用常用的6 cm×6 cm外廓尺寸的LED點(diǎn)陣片時(shí),屏幕面積小于2 m2時(shí),1片MCS51系列單片機(jī)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(wèn)題要解決:
?、?單片機(jī)與PC機(jī)的通信問(wèn)題。大屏幕LED顯示屏與PC機(jī)連接時(shí),PC機(jī)用來(lái)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(jī)。PC機(jī)與單片機(jī)通信時(shí),不會(huì)干擾顯示屏的工作。因?yàn)轱@示屏工作時(shí),是一場(chǎng)一場(chǎng)顯示的,場(chǎng)與場(chǎng)之間有黑屏的時(shí)間,利用黑屏的時(shí)間進(jìn)行通信完全沒(méi)有問(wèn)題。
?、?增加顯示場(chǎng)次的問(wèn)題。大部分顯示屏的工作方式是,顯示的內(nèi)容一場(chǎng)、一場(chǎng)、又一場(chǎng),如此循環(huán)。前面的設(shè)計(jì)只考慮了顯示一幀圖像時(shí),LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一段建立映射關(guān)系的問(wèn)題,因此只能顯示一場(chǎng)定格的圖像。在圖1的基礎(chǔ)上增加圖2,可以使LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的多段建立映射關(guān)系。工作時(shí),由P1口控制多路開(kāi)關(guān),切換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的不同段和LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址映射,于是顯示屏就可以一場(chǎng)一場(chǎng)地循環(huán)顯示了。如果擴(kuò)充外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片數(shù),并由P1口使能其中的一片有效,那么將可以擴(kuò)充更多的段和LED點(diǎn)陣片的I/O接口地址建立映射關(guān)系,這樣的話(huà),像拉幕、流水等一些顯示效果,也就可以實(shí)現(xiàn)了。
?、?字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理問(wèn)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(zhuǎn)換顯示方式時(shí),就必須進(jìn)行一次字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理,用1片單片機(jī),這也不會(huì)成為問(wèn)題。因?yàn)檗D(zhuǎn)換顯示方式時(shí),本來(lái)要黑屏1 s至幾s,這段時(shí)間也就正好用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理了。
結(jié)語(yǔ)
本LED顯示屏的高速控制方案,經(jīng)應(yīng)用證明工作穩(wěn)定、可靠,且電路簡(jiǎn)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(yùn)用讀指令的思路,也可以提供給人們作為借鑒。
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評(píng)論