基于A(yíng)VR的LED顯示屏的灰度設計與實(shí)現

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FLASH ROM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(ReducedInstruction Set CPU)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)1 000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32 kB片內FLASH ROM和2 kB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64 kB片內FLASH ROM的AT-mega64或者具有128 kB片內FLASH ROM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625 kb／s，字節傳輸速率為56.8 kB／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4 b空間，因此每個(gè)顯示子模塊全屏數據量為128 B，外加1 B的尋址字節共129 B。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56 800／(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RS 232，RS 485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RS 485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5 V電壓下，最高傳輸速度可達到2.5 Mb／s，傳輸距離可達l 200 m。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FLASH ROM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RS 485轉換電路、子模塊地址標識電路和點(diǎn)陣驅動(dòng)電路組成。RS 485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。