基于单片机的LED显示屏硬件设计方案

　　自上世纪90 年代以来， 随着LED 显示技术设计制造水平的不断提高，LED 数字屏逐渐在生产和生活中大量使用，LED 数字屏以其特有的显示介质， 在大面积， 全天候， 高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED 显示技术发展的十几年中， 新器件和新技术不断采用， 制造成本逐渐降低， 生产分工不断细化， 但大量应用的同时也暴露出LED 显示技术的若干缺陷， 总体上技术尚未成熟， 标准尚未完全建立， 有许多方面值得进行更深入的研究与改进。

　　随着大规模集成电路的迅猛发展， 微处理器的运算、控制能力大大增加， 单片计算机已在很多工业及民用系统中承担智能化的任务， 与迅猛发展的运算速度相比， 其端口扩展能力则逊色得多（ 数目有限且扩展困难）， 因此研发过程中不得不在节省端口上投入大量精力， 目前国内为解决端口扩展问题可采用软件处理的方式，这样加重了软件编写的难度，或采用扩展端口的专用芯片。这两种方法将引起软件成本的提高或硬件电路复杂度的提高，不利于一些小型系统的研发，STC12C5A60S2单片机具有多种串行传输模式， 在一定程度上解决了这个矛盾。

　　LED 数字屏应用非常广泛， 不仅能显示文字， 还能显示各种图形、图表， 甚至各种动画效果， 是广告宣传、新闻传播的有力工具。

　　本文采用STC12C5A60S2 单片机、接口NAND 闪存和上位PC 机，实现了对16×128 点阵LED 数字屏的控制。

　　1 芯片选型

　　1.1 屏体

　　由于屏体是商业成品， 因此系统芯片的选型首选为能与屏体配合的芯片。屏体自备电源， 能直接将蓄电池的能量转变为5 V 的直流电源， 并且这个电源也通过屏体的接口电缆输出到系统板上。因此系统可直接引用该电源， 不必自备电源电路。

　　1.2 单片机

　　综合考虑屏体和系统需求， 选用国内宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T） 的单片机STC12C5A60S2。

　　STC12C5A60S2 是新一代高速8051 单片机， 其指令代码完全兼容传统8051， 但速度快8~12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路， 其工作电压范围是3.5 V~5.5 V，满足要求的电压。由于是单周期的8051 （ 传统8051 是12 周期）， 可选择较易于获得准确波特率的11.059 2 MHz晶振， 而不必担心工作速度降低。

　　STC12C5A60S2 有60 KB 的用户应用程序空间，256 B的RAM 和1024 B 的XRAM.能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另有与程序存储空间独立的一片闪存区域， 可在应用编程中作EEPROM 使用。

　　STC12C5A60S2 有双UART 以及ISP 串口， 串口资源足够系统使用。另外通过宏晶科技提供的软件， 使用UART 可很容易地实现程序下载。STC12C5A60S2 有36个通用I/O 口， 大部分可位控， 并具有强推挽输出的能力， 足够系统使用。

　　STC12C5A60S2 有4 个16 bit 定时器和一个独立的波特率发生器， 另外还有两个PCA 模块， 能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S2 有PDIP-40 封装的芯片， 易于快速进入实验。

　　1.3 闪存

　　因为16 ×16 点阵的汉字库容量在250 KB 左右， 而MCS51 的寻址空间只有64 KB.接口大于64 KB 容量的普通存储芯片就必须进行总线扩展， 采用两次锁存地址的方法来读写， 既需要复杂的电路， 又占用较长的存取时间。同样，NOR 闪存与EPROM 的引脚结构相类似， 有同样的接口复杂性， 成本也十分高。要实现单片机与字库芯片的简单接口（ 不需扩展） ， 只能选用串行结构的存储器或命令、地址和数据复用总线结构的存储器。

　　串行结构的存储器多为EEPROM， 没有很大的容量， 不适合做字库芯片。因此只有选用命令、地址和数据复用总线的NAND 闪存作为字库存储芯片。

　　字库所需的容量不大， 但最好能5 V 供电， 且编程的缓存要求较小的芯片。SAMSUNG 公司出品的K9F4008W 是一款512 KB 的NAND 闪存， 仅有8 个IO端口， 且工作电压范围较广（3 V~5.5 V）， 可以兼容3 V 和5 V 的硬件系统， 并且帧编程时仅需要32 B 的缓冲， 正适合作为字库存储的芯片。

　　因此， 闪存芯片的可电擦写特性页非常适用于需要更换字库的场合。故该芯片是十分理想的汉字库存储器。

　　2 电路设计

　　根据系统整体结构设计的电路的原理图如图1 所示。

　　

　　3 总体设计

　　3.1 屏体接口模块

　　屏体接口包括屏体接口头文件、屏幕缓冲区的定义、屏体接口初始化、刷新定时器中断服务程序和SPI中断服务程序几个部分。

　　屏体接口的头文件screen.h 应该使屏幕缓冲区对其他应用可见， 并提供屏体初始化函数。具体定义如下：

　　#ifndef _SCREEN_H_

　　#define _SCREEN_H_

　　#include “inc\board.h”

　　extern u8 xdata SCR_BUF［16］［16］;

　　void screen_init（void）；

　　#endif

　　这样就把屏幕缓冲区的结构暴露给应用， 但应用不必关心具体的屏幕刷新操作。

　　具体屏体接口的实现集中在一个文件screen.c 中定义。具体如下：

　　首先是屏幕缓冲区定义：

　　u8 xdata SCR_BUF［16］［16］_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes其次是当前显示行和输出列变量定义， 属于静态变量， 应用程序不可见。

　　static u8 data row，col;

　　然后是屏幕初始化， 包括刷新定时器0 的初始化、SPI 的初始化、锁存bLatch 信号的初始化、屏幕缓冲区的初始清零以及定时器和SPI 中断的优先权和使能位的初始化代码略。

　　SPI 和定时器0 的中断服务程序是屏体接口的关键。

　　定时器0 的中断服务程序首先进行扫描行增量取模运算，并将扫描行输出。然后依据扫描行取出屏幕缓冲区对应行的第一个字节发送到SPI 端口。同时列增量。

　　void display_ONe_screen（void）interrupt 1 using 3{

　　row = （++row）&0x0f;

　　P0 = （P0 & 0xf0）|（（~row）& 0xf）；

　　col = 0;SPDAT = ~SCR_BUF［row］［col++］;

　　}

　　这样编写的屏体驱动， 应用只要在初始化屏体后，向屏幕缓冲区中写入要显示的数据即可， 而不必关心屏幕显示的细节。