基于多端口串行Flash的条形LED显示屏控制系统

　　摘要： 为了不增加硬件成本而提高显示数据的输出速度，在分析现有条形LED 显示屏单元板电路的基础上，提出了一种基于多端口串行Flash 存储器的LED 显示控制系统，该系统由STC12C5616 高速1T 单片机和带SPI接口的SST26VF016B 串行多端口Flash 存储器组成。显示数据输出时，利用单片机的高速同步串行口（SPI） 高速时钟，将多端口串行Flash 存储器中的显示数据以“存储器直接存取（DMA） ”的方式直接输出至超长条形LED显示屏。 最后，以4 096 × 64 点阵单色LED 显示屏为例进行了测试。 结果表明，显示屏刷新率达到62. 5 Hz，验证了该系统在实际应用中的有效性和可行性。

　　在LED 显示屏应用中，超长条形LED 屏是非常广泛的一种形式，其特点是长度“特别长”而宽度窄。 超长LED 显示屏目前没有明确的定义，可以将其水平方向的点数定义为≥2 048 比较合适。

　　以由1 /4 扫描P10 单元板（点间距10 mm） 组成的超长条形LED 显示屏为例，当水平方向的点数为2 048 时，其水平方向物理尺寸为20. 48 m. LED 屏的宽度（垂直方向） 点数一般为16、24 和32 点，最多不超过64 点，应用中以能够显示一行各类字体的汉字为主。 为保证刷新率，在对超长LED 显示屏的控制上，要求在规定时间内送出更多数据，普通的LED 显示屏控制卡很难实现控制要求。

　　本文在分析现有各种条形LED 显示屏单元板电路的基础上，提出了一种基于多端口串行Flash存储器的LED 显示控制系统。 利用单片机的SPI接口产生可控时钟，将多端口串行Flash 存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED 显示屏。

　　1 常用单元板内部串行移位寄存器连接方式

　　图1 为3 种常用单元板内部串行移位寄存器连接方式。 其中图1（a） 为单元板74HC595 与LED发光管点阵连接关系及简化表示电路。 LED 显示屏单元板内部使用的串行移位寄存器一般为74HC595、MBI5026 或MBI5026 兼容芯片，而MBI5026 可以看成是由两片74HC595 级联构成，为恒流源驱动模式，更适合LED 的驱动。

　　图1（b） 、（c） 、（d） 分别为P10、P16、F3. 75 或F5. 0单元板的连接方式。

　　

　　图1 3 种常用单元板内部串行移位寄存器连接方式

　　2 超长LED 显示屏面临的问题及解决方案

　　目前，市场上大量的门头屏（ 条形LED 显示屏） 是LED 显示屏应用最广的一种形式。 从技术上来说，门头屏的水平方向点数从256 点至数千点，而高度一般不超过64 点。 随着市场需求和显示精度的提高，数千点长度的超长LED 显示屏需求量在不断加大。 普通的LED 显示屏控制卡难于满足刷新率的要求，以在长度上像素点是4 096 的F3. 75 LED 显示屏为例，设刷新率为60 Hz，其SCK时钟周期至少为106 /60 /16 /4 096 = 0. 254 μs = 254 ns.

　　解决超长LED 显示屏数据输出的方法有两种： 一是选择高性能嵌入式处理器和FPGA 芯片，该方法控制卡成本较高； 二是巧妙应用单片机上的特殊功能部件并优化组织数据算法，这种方法成本很低。 本文采用的就是第2 种方法，通过优化算法将数据预先写入多端口串行Flash 存储器SST26VF016B 中，利用STC12C5616 单片机的SPI部件产生高速可控SCK 时钟，将多端口串行Flash存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED 显示屏中，满足超长LED 显示屏的显示要求。

　　超长LED 显示屏高度一般不超过64 点，若控制1 /16 扫描单色LED 显示屏，SST26VF016B 存储器的4 位数据端口正好满足LED 显示屏数据口宽度的需要。 图2 为SST26VF016B 存储器的控制时序，CS 为SST26VF016B 存储器的片选端，所有对存储器的操作都要在CS 为低电平期间进行；SCK 为时钟线，当空闲模式时，SCK 信号可以处于低电平状态（ MODE 0） ，也可以处在高电平状态（ MODE 3） ; SIO（ 3∶ 0） 为4 位数据端口，在数据传输时，先传字节的高4 位，再传字节的低4 位。 从存储器的控制时序可以看出，对存储器的控制按照命令字、24 位存储地址、虚拟字节、数据字节0 到数据字节N 的顺序发送。 存储器的命令字可以实现对存储器进行片擦除、扇区擦除、单字节读写、连续字节读写等功能，完全能够满足超长LED 显示屏对存储器的容量和控制方式的要求。

　　

　　图2 SST26VF016B 存储器的控制时序。

　　STC12C5616 是STC 公司推出的高速1T 单片机，时钟频率可达30 MHz 以上，其内部集成一个高速串行通信接口部件（ 即SPI 接口）。 当STC12C5616 的SPI 部件采用主模式工作时，其SPI时钟输出频率（ fclk） 可以达到晶振频率（ fosc） 的1 /4 倍，并且可以灵活配置它的时钟相位和时钟极性，既满足对SST26VF016B存储器控制的要求，又满足超长LED 显示屏对时钟的要求。