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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)，能構成各種尺寸的顯示屏。目前，led顯示屏已被廣泛應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，并且還存在系統復雜等缺點(diǎn)。本文提出了一種主從式單片機的LED顯示屏解決方案，該設計方案利用AVR單片機自身的FLASHROM和RAM，外部無(wú)需任何存儲電路，電路結構簡(jiǎn)單。該系統實(shí)現了圖像的16階灰度顯示，可廣泛用于商場(chǎng)、車(chē)站等公共場(chǎng)合。 1 AVR單片機簡(jiǎn)介 AVR單片機是增強型內置FLASH的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機，硬件采用哈佛(Harward)結構，達到一個(gè)時(shí)鐘周期可以執行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令。支持在系統編程ISP，其中MEGA系列還支持在應用編程IAP。內置的FLASH程序存儲器可擦寫(xiě)1000次以上，給用戶(hù)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和維護帶來(lái)方便�？刹翆�(xiě)10萬(wàn)次的E2PROM，為掉電后數據的保存帶來(lái)方便。AVR單片機有豐富的片內資源，如RTC，WATCHDOG，AD轉換器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，I／O口功能強、驅動(dòng)能力強。 2 系統整體設計方案 LED顯示系統主要由3部分構成：PC上位機圖像文字轉換與數據發(fā)送單元、主控單元以及顯示子模塊。 上位機完成把圖像和文字轉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32kB片內FLASHROM和2kB片內RAM的AT-mega32單片機，沒(méi)有外掛存儲器。如果要存儲更多的顯示信息，可以選用具有64kB片內FLASHROM的AT-mega64或者具有128kB片內FLASHROM的AT-megal28，也可以外掛存儲器來(lái)增大存儲能力。主控單元主要完成對顯示數據的滾動(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據通信采用標準的異步串口格式，每幀數據包括1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)地址／數據標示位，1個(gè)停止位共11位。數據傳輸碼率為625kb／s，字節傳輸速率為56.8kB／s。每個(gè)子模塊由256個(gè)LED構成，實(shí)現16階灰度每個(gè)LED需要4b空間，因此每個(gè)顯示子模塊全屏數據量為128B，外加1B的尋址字節共129B。主控單元更新顯示子模塊的顯示內容時(shí)，對所有子模塊按地址逐個(gè)發(fā)送顯示數據，更新完所有子模塊數據后，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)更新顯示數據，這樣可以避免當屏幕較大，顯示子模塊數量較多時(shí)各子模塊畫(huà)面更新不同步的問(wèn)題。對本設計中完成的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56800／(129×24+1)=18.34幀／s，由于主控單元還要完成全屏數據的分割和顯示內容的移動(dòng)控制，所以其實(shí)際幀數低于上述值，不過(guò)用于普通的圖片顯示已經(jīng)可以達到要求。 現場(chǎng)應用中，可以不需要PC上位機，只需把要顯示的信息存儲在主控單元，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 系統硬件設計 該系統由兩部分硬件電路組成：主機板電路和子模塊顯示驅動(dòng)電路。 3.1 主機板電路 主機板電路十分簡(jiǎn)潔，由ATmega32組成的最小系統和RS232，RS485接口電路組成。 主機板上的數據由異步串行口發(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據傳輸的可靠性，主機板上發(fā)出的信息轉換成為RS485信號，采用帶屏蔽層的同軸電纜傳輸到LED子模塊上。轉換所用接口芯片為MAX485，該芯片工作于5V電壓下，最高傳輸速度可達到2.5Mb／s，傳輸距離可達l200m。采用帶屏蔽層的同軸電纜可以降低傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的信號干擾。 在需要從PC上位機下載數據到FLASHROM時(shí)，通過(guò)MAX232芯片實(shí)現ATmega32和PC機的通信。 3.2 子模塊顯示驅動(dòng)電路 子模塊顯示驅動(dòng)電路由RS485轉換電路、子模塊地址標識電路和點(diǎn)陣驅動(dòng)電路組成。RS485轉換電路和主機板中一樣，同樣采用MAX485作電平轉換。 由于采用單片機的異步串行口進(jìn)行多機通信進(jìn)行數據傳輸，每個(gè)子模塊應該有和其位置相對應的地址標識。地址標識電路采用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)軟件內部的設定來(lái)決定各個(gè)子模塊的地址，每個(gè)AT-MEGA8所對應的程序會(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子模塊的地址進(jìn)行標識。采用74HC165作串并行轉換是為了節省單片機的引腳資源。 led點(diǎn)陣采用動(dòng)態(tài)掃描法進(jìn)行驅動(dòng)，并且實(shí)現16階灰度顯示，為了節省單片機程序中掃描程序的時(shí)間消耗，提高掃描速度，顯示數據采用并行輸出的方法。驅動(dòng)電路采用4-16譯碼器74HC154譯碼后驅動(dòng)16個(gè)中功率三極管8550作為行選，2個(gè)8位數據鎖存器74LS373作為行數據鎖存。 4 系統軟件設計 系統軟件設計包括上位機軟件的設計、主機板AT-mega32程序設計、顯示子模塊ATmega8程序設計3部分。 上位機軟件完成圖像和文字的編輯，通過(guò)計算機串行接口把顯示數據傳送到主機板上。主機板接收上位機的數據并通過(guò)內部BootLoader區的程序進(jìn)行FLASHROM內顯示數據的自更新。主機板把顯示數據進(jìn)行分割處理后發(fā)送給每個(gè)子模塊，并且完成顯示數據的上下、左右滾屏處理。子模塊通過(guò)軟件調制脈沖占空比的方法，實(shí)現16階灰度圖像顯示。 4.1 上位機軟件設計 上位機軟件使用VB開(kāi)發(fā)，主要完成圖像的取點(diǎn)、線(xiàn)性補償和點(diǎn)陣數據生成。首先將圖像文件轉換為96×64分辨率、256階色深的單色灰度圖像，由于使用占空比驅動(dòng)的LED其占空比／亮度為對數特性，所以需加入指數特性調整為線(xiàn)性之后才能交付顯示系統進(jìn)行顯示。其計算公式為Dout=15×(Din／255)n。n為比例系數，經(jīng)實(shí)際顯示校對后確定為1.35，同時(shí)通過(guò)該公式完成從256階灰度到16階灰度的轉換。通過(guò)MSComm控件實(shí)現PC機與主機板的通信。 4.2 主機板ATmega32程序設計 主機部分軟件主要分為按鍵響應處理，顯示數據分割和分割后的數據發(fā)送3部分。其中顯示數據的分割占最主要的地位，同時(shí)顯示內容的滾屏移動(dòng)也包括在這部分中。按鍵響應使用外中斷響應，配合定時(shí)器TO進(jìn)行去抖處理后置位按鍵有效標志，在主程序中檢查該按鍵有效標志并進(jìn)行響應處理。 4.3 顯示子模塊程序設計 顯示子模塊的軟件分為數據接收和動(dòng)態(tài)刷新顯示2部分。由于子模塊要實(shí)現16階灰度的表現，而且還需要實(shí)現足夠高的刷新速率以避免產(chǎn)生閃爍現象，所以對刷新顯示部分的速度要求較高。本設計采用的方案為：全屏(每個(gè)子模塊為16行×16點(diǎn)／行)刷新分為16份時(shí)間片，每份時(shí)間片實(shí)現一行的掃描。而每行的時(shí)間片又分為15個(gè)子時(shí)間片，其中灰度為最暗的點(diǎn)點(diǎn)亮0個(gè)子時(shí)間片，灰度為最亮的點(diǎn)點(diǎn)亮15個(gè)時(shí)間片，由此實(shí)現占空比為0／15～15／15共16個(gè)級別的平均電流控制，從而實(shí)現16階的灰度顯示。通過(guò)：MEGA8片內定時(shí)器T2，每個(gè)子時(shí)間片取得52μs的掃描時(shí)間，15個(gè)子時(shí)間片構成一個(gè)單行掃描的時(shí)間片(52μs×15=780μs)，16個(gè)單行掃描時(shí)間片又構成一次全屏的掃描(780μs×16=12.48ms)，則刷新頻率約為80Hz，在最高亮度下也可以保證不出現行閃的現象。 5 結語(yǔ) 本文提出的基于A(yíng)VR單片機的LED顯示屏已應用于現場(chǎng)，AVR單片機的看門(mén)狗功能使得系統穩定可靠。由于本設計是主從式的解決方案，具有可擴展性，并且采用ISP功能給電路板的調試和系統的維護帶來(lái)了很大的方便。實(shí)踐證明，本系統可以方便地顯示各種字體的文字信息及16階灰度的圖像，畫(huà)面清晰、性能穩定、操作簡(jiǎn)便，具有很好的應用價(jià)值。 |
