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

　　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

　　本方案的特點(diǎn)有兩個(gè)： 第一，雖然CPU還是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)，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。

　　由于上述電路的一些簡單更改，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，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，因此加快了顯示控制的過程。

　　前面講過，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?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(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^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，肯定是忙不過來的。

　　為了解決大屏幕LED顯示屏的控制問題，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)專門設(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，還有一些問題要解決：

　　① 單片機(jī)與PC機(jī)的通信問題。大屏幕LED顯示屏與PC機(jī)連接時(shí)，PC機(jī)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(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)，是一場一場顯示的，場與場之間有黑屏的時(shí)間，利用黑屏的時(shí)間進(jìn)行通信完全沒有問題。

　　② 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(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)系的問題，因此只能顯示一場定格的圖像。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一場地循環(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，像拉幕、流水等一些顯示效果，也就可以實(shí)現(xiàn)了。

　　③ 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(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)成為問題。因?yàn)檗D(zhuǎn)換顯示方式時(shí)，本來要黑屏1 s至幾s，這段時(shí)間也就正好用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理了。

結(jié)語

　　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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