基于多端口串行Flash的條形LED顯示屏控制的工作原理介紹

為了不增加硬件成本而提高顯示數(shù)據(jù)的輸出速度，在分析現(xiàn)有條形LED 顯示屏單元板電路的基礎上，提出了一種基于多端口串行Flash 存儲器的LED 顯示控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由STC12C5616 高速1T 單片機和帶SPI接口的SST26VF016B 串行多端口Flash 存儲器組成。 顯示數(shù)據(jù)輸出時，利用單片機的高速同步串行口( SPI) 高速時鐘，將多端口串行Flash 存儲器中的顯示數(shù)據(jù)以存儲器直接存取( DMA) 的方式直接輸出至超長條形LED顯示屏。 最后，以4 096 × 64 點陣單色LED 顯示屏為例進行了測試。 結(jié)果表明，顯示屏刷新率達到62. 5 Hz,驗證了該系統(tǒng)在實際應用中的有效性和可行性。

　　在LED 顯示屏應用中，超長條形LED 屏是非常廣泛的一種形式，其特點是長度特別長而寬度窄。 超長LED 顯示屏目前沒有明確的定義，可以將其水平方向的點數(shù)定義為≥2 048 比較合適。

　　以由1 /4 掃描P10 單元板( 點間距10 mm) 組成的超長條形LED 顯示屏為例，當水平方向的點數(shù)為2 048 時，其水平方向物理尺寸為20. 48 m. LED 屏的寬度( 垂直方向) 點數(shù)一般為16、24 和32 點，最多不超過64 點，應用中以能夠顯示一行各類字體的漢字為主。 為保證刷新率，在對超長LED 顯示屏的控制上，要求在規(guī)定時間內(nèi)送出更多數(shù)據(jù)，普通的LED 顯示屏控制卡很難實現(xiàn)控制要求。

　　本文在分析現(xiàn)有各種條形LED 顯示屏單元板電路的基礎上，提出了一種基于多端口串行Flash存儲器的LED 顯示控制系統(tǒng)。 利用單片機的SPI接口產(chǎn)生可控時鐘，將多端口串行Flash 存儲器中的顯示數(shù)據(jù)以DMA方式直接輸出至超長條形LED 顯示屏。

　　1 常用單元板內(nèi)部串行移位寄存器連接方式

　　圖1 為3 種常用單元板內(nèi)部串行移位寄存器連接方式。 其中圖1( a) 為單元板74HC595 與LED發(fā)光管點陣連接關系及簡化表示電路。 LED 顯示屏單元板內(nèi)部使用的串行移位寄存器一般為74HC595、MBI5026 或MBI5026 兼容芯片，而MBI5026 可以看成是由兩片74HC595 級聯(lián)構(gòu)成，為恒流源驅(qū)動模式，更適合LED 的驅(qū)動。

　　圖1( b) 、( c) 、( d) 分別為P10、P16、F3. 75 或F5. 0單元板的連接方式。

　　圖1 3 種常用單元板內(nèi)部串行移位寄存器連接方式

　　2 超長LED 顯示屏面臨的問題及解決方案

　　目前，市場上大量的門頭屏( 條形LED 顯示屏) 是LED 顯示屏應用最廣的一種形式。 從技術上來說，門頭屏的水平方向點數(shù)從256 點至數(shù)千點，而高度一般不超過64 點。 隨著市場需求和顯示精度的提高，數(shù)千點長度的超長LED 顯示屏需求量在不斷加大。 普通的LED 顯示屏控制卡難于滿足刷新率的要求，以在長度上像素點是4 096 的F3. 75 LED 顯示屏為例，設刷新率為60 Hz,其SCK時鐘周期至少為106 /60 /16 /4 096 = 0. 254 μs = 254 ns.

　　解決超長LED 顯示屏數(shù)據(jù)輸出的方法有兩種： 一是選擇高性能嵌入式處理器和FPGA 芯片，該方法控制卡成本較高; 二是巧妙應用單片機上的特殊功能部件并優(yōu)化組織數(shù)據(jù)算法，這種方法成本很低。 本文采用的就是第2 種方法，通過優(yōu)化算法將數(shù)據(jù)預先寫入多端口串行Flash 存儲器SST26VF016B 中，利用STC12C5616 單片機的SPI部件產(chǎn)生高速可控SCK 時鐘，將多端口串行Flash存儲器中的顯示數(shù)據(jù)以DMA方式直接輸出至超長條形LED 顯示屏中，滿足超長LED 顯示屏的顯示要求。

　　超長LED 顯示屏高度一般不超過64 點，若控制1 /16 掃描單色LED 顯示屏，SST26VF016B 存儲器的4 位數(shù)據(jù)端口正好滿足LED 顯示屏數(shù)據(jù)口寬度的需要。 圖2 為SST26VF016B 存儲器的控制時序，CS 為SST26VF016B 存儲器的片選端，所有對存儲器的操作都要在CS 為低電平期間進行;SCK 為時鐘線，當空閑模式時，SCK 信號可以處于低電平狀態(tài)( MODE 0) ,也可以處在高電平狀態(tài)( MODE 3) ; SIO( 3∶ 0) 為4 位數(shù)據(jù)端口，在數(shù)據(jù)傳輸時，先傳字節(jié)的高4 位，再傳字節(jié)的低4 位。 從存儲器的控制時序可以看出，對存儲器的控制按照命令字、24 位存儲地址、虛擬字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)0 到數(shù)據(jù)字節(jié)N 的順序發(fā)送。 存儲器的命令字可以實現(xiàn)對存儲器進行片擦除、扇區(qū)擦除、單字節(jié)讀寫、連續(xù)字節(jié)讀寫等功能，完全能夠滿足超長LED 顯示屏對存儲器的容量和控制方式的要求。

　　圖2 SST26VF016B 存儲器的控制時序。

　　STC12C5616 是STC 公司推出的高速1T 單片機，時鐘頻率可達30 MHz 以上，其內(nèi)部集成一個高速串行通信接口部件( 即SPI 接口)。 當STC12C5616 的SPI 部件采用主模式工作時，其SPI時鐘輸出頻率( fclk) 可以達到晶振頻率( fosc) 的1 /4 倍，并且可以靈活配置它的時鐘相位和時鐘極性，既滿足對SST26VF016B存儲器控制的要求，又滿足超長LED 顯示屏對時鐘的要求。

　3 超長LED 顯示屏控制卡電路設計

　　利用串行Flash 存儲器SST26VF016B 的多位數(shù)據(jù)口存儲器和STC12C5616 單片機的SPI 部件能產(chǎn)生高速SCK 時鐘的特點，將顯示數(shù)據(jù)從串行Flash存儲器旁路輸出至LED 顯示屏，電路如圖3 所示。

　　圖3 超長LED 顯示屏控制卡電路圖。

　　當顯示屏的動態(tài)刷新速率達到50 次/s 時，在1 /16 掃描的LED 顯示屏上，一行顯示時間要小于1 /50 /16 s,即1. 25 ms. 在控制卡設計上，當fosc =22 MHz時，串行Flash 時鐘頻率fclk = 1 /4 fosc =5. 5 MHz,故4 096 個CLK 時鐘所需時間為4 096 × 1 /( 5. 5 × 106 ) s = 0. 744 ms,加上采用SQI協(xié)議發(fā)送存儲器指令和地址的時間后也小于1. 25 ms,故在圖3 中，單片機STC12C5616 的外部時鐘選擇22 MHz 時鐘，就可以保證在SQI 協(xié)議方式下實現(xiàn)4 096 超長顯示屏的顯示。

　　單片機STC12C5616 的外部時鐘選擇22. 118 4 MHz,便于串行口波特率的精確控制; 引腳P3. 0和P3. 1為UART 接口，通過通信接口芯片MAX232 芯片實現(xiàn)控制卡和PC 機之間的通信連接; 引腳P2. 0 ~ P2. 3為4 位數(shù)據(jù)線，該數(shù)據(jù)線一方面連接存儲器SST26VF016B 的4 位數(shù)據(jù)口，另一方面通過74HC245 驅(qū)動后連接到LED 單元板輸出接口的數(shù)據(jù)線上。 在控制卡上設計有2 個單色LED單元板輸出接口，接口J1 使用數(shù)據(jù)線D0和D1,接口J2 使用數(shù)據(jù)線D2和D3; 引腳P1. 7為SPI 時鐘輸出，SPI 時鐘輸出線同時連接到串行Flash 存儲器SST26VF016B 和LED 單元板的時鐘輸入; 引腳P1. 4為串行Flash 存儲器SST26VF016B 的片選信號; 引腳P3. 5為LED 單元板的數(shù)據(jù)鎖存信號; 引腳P3. 7為LED 單元板的使能信號輸出; 引腳P1. 0 ~P1. 3為LED 單元板的行選擇信號輸出; J1 和J2 連接頭用來連接顯示屏在高度方向上的LED 單元板，以符合門頭屏64 點高度要求。

　　該電路的設計可以靈活地在單片機、串行存儲器和LED 單元板相互之間實現(xiàn)3 種不同的數(shù)據(jù)訪問模式，分別是：

　　(1) 單片機和存儲器之間的正常訪問。

　　由圖3 可以看出，單片機STC12C5616 和串行Flash 存儲器SST26VF016B 之間的連接是參照數(shù)據(jù)手冊進行連接的，可以實現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)存取，同時該數(shù)據(jù)也會進入LED 單元板上的移位寄存器緩沖區(qū)，但只要LED 單元板上的數(shù)據(jù)鎖存RCK 沒有得到有效信號，進入LED 單元板的數(shù)據(jù)是不顯示出來的無效數(shù)據(jù)。

　　(2) 單片機和LED 單元板之間數(shù)據(jù)通信。

　　將單片機引腳P1. 4置高電平，即將串行Flash存儲器的使能端無效，這時存儲器的數(shù)據(jù)端口呈高阻狀態(tài)，單片機和LED 單元板之間數(shù)據(jù)通信就不會受到存儲器數(shù)據(jù)口的影響，可以將單片機的數(shù)據(jù)正常輸出到LED 單元板上。

　　(3) 存儲器和LED 顯示屏之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　首先采用第( 1) 種模式，單片機先向串行存儲器輸出命令字、存儲地址和虛擬字節(jié)，然后將單片機的數(shù)據(jù)口P2. 0 ~ P2. 3全部置高電平，通過SPI 時鐘從串行存儲器讀取顯示數(shù)據(jù)，同時以DMA方式進入LED 單元板，當讀取完一行數(shù)據(jù)后，在LED單元板上的數(shù)據(jù)鎖存端RCK 上產(chǎn)生有效信號，就可以顯示該行數(shù)據(jù)。 當采用這種模式時，一定要將單片機STC12C5616 的引腳P2. 0 ~ P2. 3設置為弱上拉模式。

　　4 超長LED 顯示屏顯示程序設計

　　在1 /16 單色LED 顯示屏硬件電路設計中，74HC595 采用直通方式連接。 根據(jù)直通方式特點，預先對單色顯示數(shù)據(jù)進行優(yōu)化組織，將組織后的顯示數(shù)據(jù)預先存放在串行Flash 存儲器SST26VF016B 中。 如圖4 所示，單片機輸出顯示每行數(shù)據(jù)時按輸出數(shù)據(jù)→送移位脈沖→地址加1的順序重復進行，顯示完一行后，RCK 鎖存顯示，通過ABCD 切換行選通線。

　　圖4 1 /16 掃描單色F3. 75 或F5. 0 單元板( 64 × 32 點) 連接方式。

　以LED 顯示屏的水平方向點數(shù)為4 096 點為例，其顯示一幀數(shù)據(jù)的程序代碼如下：

　　woid Display( unsigned long begin_Addr)

　　{

　　unsigned char Ln

　　,Bv = 1;

　　unsigned int Data_Length,Lw = 4096;

　　unsigned long Addr;

　　Data_Length = Bv* Lw

　　) ;

　　for ( Ln = 0; Ln 16; Ln + + )

　　{

　　Addr = Begin_Addr + Ln* Data_Length;

　　CS = 0;

　　SendSQI_Byte( 0x0B) ; / /送讀命令

　　/ /送3 個字節(jié)地址

　　SendSQI_Byte( ( Addr 》 16) 0xff) ;

　　SendSQI_Byte( ( Addr 》 8) 0xff) ;

　　SendSQI_Byte( ( Addr0xff) ;

　　SendSQI_Byte( ( 0xff) ; / /送虛字節(jié)

　　P2 = P2 |0x0f;

　　SPCTL = 0xd0; / /允許SPI 接口

　　SPDAT = 0xff; / /啟動第1 次SPI 發(fā)送

　　Data_Length = ( Data_Length 》 3) - 1;

　　while( Data_Length! = 0)

　　{ / /SPI 時鐘每次傳輸8 個脈沖

　　while( ( SPSTAT0x80) == 0) ;

　　SPSTAT = 0x80; / /清接收標志

　　SPDAT = 0xff; / /啟動SPI 發(fā)送

　　Data_Length -- ;

　　}

　　while( ( SPSTAT0x80) == 0) ;

　　SPSTAT = 0x80; / /清接收標志

　　SPCTL = 0x90; / /禁止SPI 接口

　　CS = 1; /* disable devicce * /

　　EN = 0;

　　RCK = 1; RCK = 0;

　　PI = ( ( P10xf0) | Ln

　　) ;

　　EN = 1;

　　}

　　}

　　在設計程序時，僅在換行時關閉顯示屏，避免它產(chǎn)生余輝，其余時間都點亮。 在該程序中，Bv為數(shù)據(jù)線在垂直方向使用595 的組數(shù); Lw為LED 顯示屏水平方向像素點數(shù); Ln為當前LED 顯示屏顯示數(shù)據(jù)行號。 當顯示數(shù)據(jù)時，采用存儲器和LED 顯示屏的數(shù)據(jù)輸出模式，單片機先向串行存儲器輸出讀數(shù)據(jù)命令字0x0B,然后輸出24 位地址和虛擬字節(jié)，再使單片機數(shù)據(jù)口輸出高電平，就可以根據(jù)LED 顯示屏的長度輸出SCK 脈沖。 送完一行數(shù)據(jù)后，禁止SPI 接口，RCK 鎖存信號有效，切換至下一行，按重復步驟繼續(xù)輸出顯示數(shù)據(jù)。

　　5 測試

　　經(jīng)過測試后，顯示屏顯示正常，沒有抖動情況，使用邏輯分析儀測試了其刷新率，如圖5( b) 所示，信號A 的電平寬度表示顯示1 行所需要的時間，其寬度為1. 036 16 ms,顯示1 幀的時間為16 ×1. 036 16 ms≈16 ms,所以LED 顯示屏的刷新率為1 /16 ms = 62. 5 Hz. 而當LED 顯示屏的刷新率大于50 次/s 時，就可以滿足設計要求，故本設計能夠滿足正常顯示要求。 通過測試SCK 信號，如圖5( a)所示，可以看出SCK 信號每8 個脈沖1 組，每組之間的時間間隔僅為570 ns,該時間主要消耗在判斷SPI 數(shù)據(jù)傳輸完成標志和循環(huán)控制上。

　　圖5 LED 屏信號測試

　　6 結(jié)論

　　本文提出了基于多端口串行Flash 存儲器的LED 顯示控制系統(tǒng)，利用單片機的SPI 接口產(chǎn)生可控時鐘，將多端口串行Flash 存儲器中的顯示數(shù)據(jù)以DMA方式直接輸出至超長條形LED 顯示屏。

　　其制造成本低廉，根據(jù)本文程序及邏輯分析儀得到的時序圖可知，該方法可以控制4 096 × 64 點陣單色LED 顯示屏，在超長顯示屏市場上有很好的應用前景。