新穎藍牙技術(shù)的LED點陣屏設(shè)計（一）

　　0 引言

　　本文設(shè)計一種內(nèi)容更新便捷、可擴展、低價格的點陣LED 文字顯示屏。降低成本的途徑是①用幾乎人人都有的手機的藍牙數(shù)據(jù)傳輸功能進行LED 顯示內(nèi)容的更新，免去專業(yè)上位機軟件和控制卡的成本，操作也更簡單；②單次顯示內(nèi)容在5 ~ 30 個漢字或英文字母，因為顯示內(nèi)容較少，就可實現(xiàn)擴展電路的簡單化。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計方案

　　1. 1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)由帶藍牙功能的智能手機和LED 顯示屏組成。其中，LED 顯示屏由單片機、LED 點陣模塊、字庫芯片、藍牙接收模塊、5V 開關(guān)電源和3.3V 穩(wěn)壓電路組成，如圖1 所示。系統(tǒng)工作過程是： 用戶通過智能手機的記事本編輯“數(shù)據(jù)”，并經(jīng)無線藍牙發(fā)送到顯示屏上的藍牙接收模塊。主控單片機讀取藍牙接收模塊接收的“數(shù)據(jù)”并進行處理。“數(shù)據(jù)”由“控制命令”和“顯示內(nèi)容”構(gòu)成，兩部分數(shù)據(jù)用自定義特征符分隔開。“控制命令”用于對顯示屏的亮度、顯示內(nèi)容移動速度和移動方向進行設(shè)置； 而單片機根據(jù)收到的“顯示內(nèi)容”的字符代碼在字庫芯片中找到相應(yīng)的32 字節(jié)顯示代碼送點陣屏顯示。

　　圖1 系統(tǒng)組成

　　1. 2 LED 點陣屏工作原理

　　LED 點陣顯示屏可按顯示需要由若干塊每塊LED 單元板拼接而成。通用LED 單元板由2 位16 × 16 點陣LED 構(gòu)成，尺寸為160* 320mm2.單元板的工作原理如下。

　　每板有16 行32 列，數(shù)據(jù)的顯示采用傳統(tǒng)的行列式掃描方式。通常為了減小閃爍，提高掃描速度，采用1 /4 掃描，即把16 行分為4 個4 行，每次同時選通4 個4 行中的同序?qū)?yīng)行，這樣掃描4 次即可完成16 行的掃描顯示。其中列控制由74HC595承擔(dān)，每塊單元板上有16 片，每片分別控制4 行8 列的點陣小單元。行控制是由1 片譯碼器74LS138 承擔(dān)，每次使單元板的4 個4 行的同序?qū)?yīng)行選通。為了保證正常的電流驅(qū)動（ 亮度） ，74LS138 的輸出經(jīng)AMP4593 驅(qū)動放大。每塊單元板有4 片，每片分別驅(qū)動4 行。16 片74HC595 接成級聯(lián)方式，由于每4 行32 列需4 片74HC595， 16 行32 列就是16 片。設(shè)第一個4 行的4 片74HC595 序號為1、2、3、4，第二個4 行的4 片74HC595 序號為5、6、7、8，依次類推。每一片的數(shù)據(jù)輸出端接到下一片的輸入端，數(shù)據(jù)從第1 片的輸入端串行輸入，在移位脈沖的作用下一位一位依序移入，經(jīng)過8 × 16 個脈沖，最先移入的數(shù)據(jù)位移到了第16 片的最低位（ 也是該片的輸出端） ，所有數(shù)據(jù)都移入后，就可顯示一板完整的內(nèi)容，按此規(guī)律即可進行顯示的軟件設(shè)計。如果顯示的字數(shù)多，拼接的LED 單元板就多，顯示一屏完整內(nèi)容所需的移位脈沖就多。這種顯示方式要求主控單片機有較高的指令執(zhí)行速度，否則就會有閃爍感。點陣單元板原理圖如圖2 所示。

　　圖2 點陣單元板原理圖

　　2 系統(tǒng)主要模塊的選擇和電路設(shè)計

　　2. 1 主控芯片

　　2. 1. 1 芯片選擇

　　為了滿足LED 顯示屏的顯示及多板的擴展，要求系統(tǒng)主控單片機有較快的運行速度； 較大的存儲空間用于存儲顯示數(shù)據(jù)，因此選用美國silicon 公司的C8051F410.該芯片是一款高性能產(chǎn)品，F(xiàn)TQP - 32 封裝（ 9mm* 9mm） 大大減小了體積； 由于采用了精簡指令結(jié)構(gòu)，使得每個機器周期僅需一個時鐘周期，運算速度快大大加快，如果使用片內(nèi)24. 5MHz 的內(nèi)部時鐘，其運行速度大約是普通8051 單片機工作在12MHz 時鐘時的24 倍； 芯片內(nèi)部資源豐富，自帶看門狗，通過JTAG 接口連接調(diào)試器，可方便硬件在線調(diào)試； 芯片內(nèi)含UART、SPI、I2C 等通信接口，方便與外圍芯片連接； 4 個定時器/計數(shù)器使編程更方便； 自帶的16K/32KFLASH，可存儲大約1K 個漢字。
2. 1. 2 最小系統(tǒng)電路設(shè)計

　　系統(tǒng)對單片機時鐘的精度和溫度穩(wěn)定度都沒有特別要求，可以直接使用C8051F410 單片機內(nèi)部自帶的時鐘振蕩器，而無需外接振蕩器。使用時要注意的是，是芯片工作電源是從Vregin 引腳引入（ + 3. 3V） ，VDD 是內(nèi)部基準電壓輸出引腳，VIO 是I /O 口作為數(shù)字引腳時的電源輸入引腳。電路設(shè)計時必需在緊靠這3 個引腳的位置布上濾波和退耦電容（ 4. 7μ 和104p） .P1. 0~ P1. 3 是顯示屏的控制線CLK、SCLK、R 和OE; P1. 7、P0. 0 ~ P0. 2是字庫芯片控制線，采用SPI 接口； P2. 0 和P2. 1 是顯示屏的行掃控制線A 和B; P0. 4 和P0. 5 是串口通信線，與藍牙模塊連接。這12 根引腳都需配置為數(shù)字引腳。最小系統(tǒng)電路如圖3 所示。

　　圖3 C8051F410 單片機最小系統(tǒng)

　　2. 2 藍牙模塊

　　2. 2. 1 模塊選擇

　　選用藍牙模塊的要求是： 價格便宜、體積小，使用方便。符合條件的藍牙模塊產(chǎn)品很多。設(shè)計選用的是南京國春電氣生產(chǎn)的GC - 02 藍牙模塊，這是款高質(zhì)量的CLASS2 藍牙模塊。此藍牙模塊內(nèi)部帶有對象交換協(xié)議（ OPP） 文件接收功能，只要上電后，就可被手機藍牙識別，并可成功配對建立連接，接收手機藍牙傳輸?shù)奈募?/P>

　　GC - 02 藍牙模塊共有29 個引腳，可通過SPI 接口或UART接口與單片機通信。本系統(tǒng)單片機選擇UART 方式與GC - 02進行通信。藍牙模塊處于待機模式時，已配對過的手機向藍牙模塊發(fā)送文件，未配對的手機需先進行配對，輸入正確的PIN 碼（ 即配對密碼） 即可配對。此藍牙模塊的出場廠PIN 碼是“1234”，其PIN 碼可通過向藍牙模塊發(fā)送指令進行修改。

　　2. 2. 2 電路設(shè)計

　　單片機通過引腳P0.4 和P0. 5 與藍牙模塊GC- 2 的串口（ 12 腳和13腳） 進行通信，藍牙模塊的其他功能未用。單片機與藍牙模塊的連接如圖4所示。

　　圖4 單片機與藍牙模塊的連接圖。

　　2. 3 字庫芯片

　　2. 3. 1 芯片選擇

　　由于使用中顯示的內(nèi)容需要經(jīng)常更換，采用文字“取模”獲得顯示數(shù)據(jù)的方法顯然行不通，在顯示電路中存儲字庫或采用字庫芯片是個可行的辦法。設(shè)計采用字庫芯片，選擇GT21L16S2W 標準漢字字庫芯片。

　　GT21L16S2W 是一款內(nèi)含11 × 12 點陣和15 × 16 點陣的漢字庫芯片，支持GB2312 國標簡體漢字（ 含有國家信標委合法授權(quán)） 、ASCII 字符及GB2312 與Unicode 編碼互轉(zhuǎn)表。排列格式為橫置橫排。根據(jù)字符點陣在芯片中的地址，就可從該地址連續(xù)讀出字符點陣信息。

　　以15X16點陣漢字為例，漢字信息需要32 個字節(jié)（ BYTE 0- BYTE31 ） 來表示，點陣的數(shù)據(jù)是橫置橫排的，其具體排列結(jié)構(gòu)如圖5.每個漢字在芯片中是以漢字點陣字模的形式存儲的，每個點用一個二進制位表示，存1 的點，當(dāng)顯示時可以在屏幕上顯示亮點，存0 的點，則在屏幕上不顯示。點陣排列格式為橫置橫排： 即一個字節(jié)的高位表示左面的點，低位表示右面的點，排滿一行的點后再排下一行。這樣把點陣信息用來直接在顯示器上按上述規(guī)則顯示，則將出現(xiàn)對應(yīng)的漢字。15X16 點陣漢字存儲在00000H ~3B7BFH 的芯片地址范圍中，只要知道漢字的內(nèi)碼，就可計算出漢字顯示數(shù)據(jù)的首地址。

　　圖5 漢字點陣排列格式