基于多端口串行Flash的條形LED顯示屏控制

在LED顯示屏應(yīng)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≥2048比較合適。 　　以由1/4掃描P10單元板（點間距10mm）組成的超長條形LED顯示屏為例，當(dāng)水平方向的點數(shù)為2048時，其水平方向物理尺寸為20.48m.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(yīng)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(chǔ)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(guān)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(yīng)用最廣的一種形式。從技術(shù)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4096的F3.75LED顯示屏為例，設(shè)刷新率為60Hz，其SCK時鐘周期至少為106/60/16/4096=0.254μs=254ns. 　　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(yīng)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(yù)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(dāng)空閑模式時，SCK信號可以處于低電平狀態(tài)（MODE0），也可以處在高電平狀態(tài)（MODE3）;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2SST26VF016B存儲器的控制時序。 　　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(shè)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(dāng)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1/50/16s，即1.25ms.在控制卡設(shè)計上，當(dāng)fosc=22MHz時，串行Flash時鐘頻率fclk=1/4fosc=5.5MHz，故4096個CLK時鐘所需時間為4096×1/（5.5×106）s=0.744ms，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1.25ms，故在圖3中，單片機STC12C5616的外部時鐘選擇22MHz時鐘，就可以保證在SQI協(xié)議方式下實現(xiàn)4096超長顯示屏的顯示。 　　單片機STC12C5616的外部時鐘選擇22.1184MHz，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(shè)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(shè)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： 　?。?）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。 　?。?）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(dāng)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(dāng)采用這種模式時，一定要將單片機STC12C5616的引腳P2.0~P2.3設(shè)置為“弱上拉”模式。 　　4超長LED顯示屏顯示程序設(shè)計 　　在1/16單色LED顯示屏硬件電路設(shè)計中，74HC595采用直通方式連接。根據(jù)直通方式特點，預(yù)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(yù)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(fù)進行，顯示完一行后，RCK鎖存顯示，通過ABCD切換行選通線。 　　圖41/16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4096點為例，其顯示一幀數(shù)據(jù)的程序代碼如下： 　　在設(shè)計程序時，僅在換行時關(guān)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(dāng)前LED顯示屏顯示數(shù)據(jù)行號。當(dāng)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(fù)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1.03616ms，顯示1幀的時間為16×1.03616ms≈16ms，所以LED顯示屏的刷新率為1/16ms=62.5Hz.而當(dāng)LED顯示屏的刷新率大于50次/s時，就可以滿足設(shè)計要求，故本設(shè)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570ns，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5LED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4096×64點陣單色LED顯示屏，在超長顯示屏市場上有很好的應(yīng)用前景。