引 言
长屏的LED显示屏在生活中应用的很多,这种显示屏的控制电路简单,扫描线有限,显示信息量也不是很大。当显示信息量比较大时,采用一般的长屏显示屏,显示信息过慢,即使采用超长屏的显示屏,其数据输出速率也很慢,同时显示屏的刷新频率也不一定能满足显示需求。矩形显示屏显示一屏的信息量大,并且可以按需要扩展显示屏的高度,不存在频率上的限制,可以弥补长条显示屏显示信息时存在的一些问题。本文用于控制矩形显示屏的控制系统数据组织使用了双RAM技术,提高了信息垂直循环显示时存储器效率,大幅度降低了数据存储器的占用,并且对刷新频率的要求也不是很高[1]。
1 显示数据组织
大多时候需要显示的区域大于或等于实际显示的区域,相等以及小于时为静态显示,图1所示的是需要显示的区域大于实际显示的区域。为了简化问题的分析,本文将显示区域高度设置为led显示屏高度的4倍,宽度等于LED显示屏宽度,显示屏的高度为 ,宽度为,则显示区域高度 ,宽度 ,扫描线条数 ,本文以单色显示作为描述对象,且 ( 为输出数据宽度),如图1所示。
图1 显示区域图
对于一个LED显示屏宽度为 ,高度为 确定后,显示屏单元板的排列方式也就被确定了,单元板相邻的两条扫描线之间的距离为 ,显示屏有 条扫描线,分别是, ,… ,每 行对应一位显示数据,显示屏上的每一个点对应于存储器中某个字节的某一位。各扫描线的起始位置如图1所示, 条扫描线分别指向 , ,…, 。用静态显示数据组织方法分别对显示块A、B、C、D组织显示数据[2]。首先对显示块A的显示信息进行组织:
① ,即当前扫描线各行与第0列相交各点的显示数据按 , ,…, 的顺序存储在存储器的第一个存储单元中。
② 值增加1,当前扫描线各行与 值对应列相交各点的显示数据存储在存储器的下一个存储单元中。
③重复第 eq oac(○,2)2步的操作,将 至 的 个数据按顺序全部存储在存储器中。
④ 条扫描线向下移动一行,重复第 eq oac(○,1)1至 eq oac(○,3)3步。直到 移动到 行时。
⑤数据组织结束。
显示区域B、C、D,分别按照A的数据组织方式去组织显示数据。组织后的显示数据块按A、B、C、D的顺序存储在RAM0里,然后将RAM0中的显示数据块A、B、C、D按B、C、D、A的顺序拷贝到RAM1中,任何两个相邻显示块的显示数据分别在两块RAM中都有相同地址存储区域。RAM0 和RAM1的显示数据与存储器的对应关系如图2所示。
图2 数据块与存储器之间的排列图
采用双RAM并行输出时的几种情况,如图2所示,扫描组1从 到 ,对应显示块A,数据已组织存放在存储器中,可以直接输出显示数据;扫描组2从 到 ,对应显示块B也已经组织好,可以直接输出。但是扫描组3,它的位置非同一般,它的扫描线分别对应着两个块A和B,第0,1,… 条扫描线分别对应显示块A扫描组1的1,2,…, ,而第 条扫描线对就显示块B扫描组2的第0条扫描线,如果要在显示屏上显示扫描组3对应的这一屏数据,就一定要同时使用到扫描组1的第1,2,…, 条扫描线和扫描组1的第0条扫描线组织的显示数据作为输出数据。由于显示块A和B的显示数据是分别组织的,这时就要取RAM0的,,…, 和RAM1的 位作为输出到显示屏的 位数据,这就需要在两块RAM同时输出的2 位中选择需要的 位作为输出数据,并且这 位数据是连续的 位数据。
显示步骤(在此,只考虑垂直移动显示效果):双RAM技术将显示数据输出的时候,是将两块RAM中相同地址的两个数据同时输出。所以,如果设置RAM0为主存储器,RAM1为从存储器,则将两块RAM的显示数据存在一块串行存储器中的时候,偶地址单元应存储RAM0的数据,奇地址单元存储RAM1的数据,由于数据宽度为8,所以每次输出16位数据。如果显示区域中以( , )点为显示起始点,在LED屏上显示一屏显示信息,则其数据选择控制位只与 、扫描线和扫描宽度 有关[3]。显示区域的起始行坐标为 ,一块显示区域有 行,则 所在的块为:
这里讨论 在实际显示区域的坐标没有多大意义,只须注意 在当前显示块的相对坐标, 就是 在当前显示块的相对纵坐标,则相对坐标为( , )。动态显示的基础是静态显示,静态显示以从特定行显示一屏为特征,当显示屏从第 行开始显示信息时,因为一块显示区域有 个数据,则 所在块显示数据的起始地址为:
一块显示区域分为 个区,如图2所示,则 所在的分区记作:
一区存放有 个显示数据,所以 所在分区地址与所在块起始地址之间的相对偏移地址为 。所以,只要知道了显示信息的起始行坐标,就能得到显示数据在存储器中的存储地址。
因为 ,记 ,表示显示信息跨越两个数据块时,需要选择的数据位数。存储器输出16位数据 后,从 位控制选择连续的8位数据 输出到显示屏。当数据从一个字节的 位开始输出16位时,如 ,前面8位在当前显示是多余的几位数据,后面8位数据 正好是要输出到显示屏的8位数据,当这16位数据串行输出到一个8位的移位寄存器中时,移位寄存器刚好可以容纳高8位数据,并将其输出显示。之后各列数据的输出情况同样如此,不需要额外的指令或电路来对输出数据进行选择输出。
只是在每行第一列数据输出前,通过单片机模拟i个时钟脉冲输出到存储器,让输出数据产生错位,使数据从 位开始输出。另外有一种情况,当显示信息刚好是A、B、C、D块中的某一块时,无须产生模拟脉冲对数据进行选择,而是直接将数据输出显示。通过分析可知,SPI模块刚好具有这个功能,通过单片机额外模拟 个时钟脉冲,输出到串行存储器的时钟信号端,可以使数据错位,从指定的某一位 开始输出。当显示信息跨越 区间时,此时如果一场显示还没有完毕,内存地址应返回到 所在块的起始地址,并从起始地址开始输出显示数据,单片机模拟的脉冲数 也相应发生变化[4]。
2 LED显示屏控制系统设计
为了简化电路,提高数据输出效率,本控制系统采用RAMTRON(瑞创)公司的带SPI功能模块的VRS51L3074单片机,如图3所示。VRS51L3074单片机的时钟频率为40MHz,指令周期短,处理速度快,效率可以与ARM处理器媲美,但是ARM处理器的价格要高得多。VRS51L3074单片机工作电压在3.3V左右,但是可以兼容5V[5]。
图3 LED显示屏控制电路
2.1 VRS51L3074的SPI功能模块
VRS51L3074单片机的SPI时钟频率可以在 范围内调整,SPI时钟频率最高可以达到20MHz[6]。当VRS51L3074作为SPI主机时,可以对SPI运行控制、配置和状态监控以及其他的一些工作环境进行设置:
配置寄存器SPICONFIG:主要对片选信号控制模式、SPI中断进行设置。
状态寄存器SPISTATUS:主要用于对SPI运行状态的监控。
传输字长寄存器SPISIZE:设置传输字长,本文设置为16位,即每次输出16位数据。
控制寄存器SPICTRL:对SPI时钟速率、时钟相位/极性、片选信号,以及SPI时钟频率进行设置。
数据寄存器SPIRXTX0~ SPIRXTX3:用于对SPI接口32位收发缓冲器的访问,对数据寄存器执行写操作是将数据送入发送缓冲器中,对数据寄存器执行读操作是从接收缓冲器中取出收到的数据。SPI接口的发送和接收缓冲器都采用双缓冲结构,从硬件上减少数据冲突并提高数据传输效率。在主模式下对SPIRXTX0寄存器执行写入操作将启动SPI传输。当传输字各行长大于8时,应最后向SPIRXTX0寄存器写入。
向串行FLASH输入控制信号和数据地址后,启动串行FLASH传输数据,在SPI时钟驱动下,输出显示数据。并且可以用单片机模拟串行FLASH时钟信号控制任意位数据输出。
2.2 数据选择控制电路
设计的LED显示屏控制系统如图3所示,VRS51L3074单片机内部自带精确的40MHz振荡器,不需要外部晶振电路提供系统时钟,显示数据使用内存为16Mb的SST25VF016B,这是一款具有SPI接口的8PIN串行FLASH[7]。双RAM技术输出显示数据的时候,是将两块RAM中相同地址的两个数据同时输出,所以,将两块RAM的显示数据存放在一块串行存储器中的时候,偶地址单元应存储RAM0的数据,奇地址单元存储RAM1的数据,数据输出时,每次输出16位数据。串行存储器和单片机的工作电压都在3.3V左右,但是VRS51L3074单片机可以兼容5V,简化了控制电路。控制信号和显示数据在输出到寄存器74LS164和显示屏的时候,需要用74LVC07进行电平转换。
控制系统控制显示数据输出的流程为:
①将扫描线行地址通过P2端口的低四位送给LED显示屏。
②通过显示数据在显示区域中的位置,计算显示数据在存储器中的地址,并计算出数据选择的位数 。
③通过单片机P3.0口模拟移位脉冲,输出到串行FLASH时钟信号,移位脉冲数由数据选择位数 决定。使输出数据产生错位,正确的选择输出显示数据。
④启动SPI读取显示数据, SPI传输字长设置为16位。模拟脉冲已经输出到串行FLASH使数据产生了错位,输出16位数据 ,输出到显示屏的数据 在高8位,经过移位刚好可以存放在移位寄存器中,每行第一个数据输出后,以后此行各列数据都是直接输出。
⑤16位数据输出完毕后,通过P3.1脚产生一个SCK脉冲,将移位寄存器74LS164中的数据输出移入到单元板的74HC595串行移位寄存器中。
⑥重复第 eq oac(○,4)4至 eq oac(○,5)5步,直到一行数据全部输出完毕后,由P3.2 产生一个RCK脉冲,读取的一行数据将输出显示,然后扫描线下移一行。
⑦重复第 eq oac(○,1)1至 eq oac(○,6)6步。
此电路有这样几个特点:显示数据从串行FLASH输出后,不经单片机的处理,直接以“DMA”方式输出到移位寄存器74LS164,同时实现串并转换,节省数据处理时间,提高显示效率;在每场数据输出之前,通过信息在显示区域中的地址计算数据选择位数 ,并通过P3.0 端口模拟 个脉冲输出到串行FLASH,移出 位数据,数据产生错位,使输出显示的数据在16位输出数据的高8位,可以直接存放在移位寄存器中,输出到显示屏,以后同行各列的显示数据输出时,无需再进行数据选择位的判断,直接将显示数据从存储器中输出到显示屏。
存储器效率分析:
表1 存储器效率存储器
存储器
效率η静态显示一般垂直移动显示双RAM技术输出显示
η计算
公式
效率100%16%100%
观察表1可知,在垂直移动显示使用双RAM技术组织,大大提高了存储器效率,降低了显示数据存储器的占用。当显示信息比较大时,动态数据组织使用的存储器比较大,利用率低,而采用双RAM技术正好解决这个问题。一块RAM的效率是100%,双RAM是50%,当有N块RAM时,效率为 。
3 程序设计
针对图3所示控制电路,按照数据输出控制流程,编写了一段程序,随机显示一屏信息,显示数据已按顺序存储在串行FLASH中。
void display(unsigned int YL)
{ unsigned int i,j,p;
unsigned char line, unit_board_num, board_i;
unsigned char code *ram_point, *block_addr,* region_addr,* ram_begin_addr;
block_addr=YL/(Bw*Sw) * (Sw*Dw); //所在块的起始地址
region_addr=(YL%Sw)*Dw; /所在区的相对块的相对地址
i=YL/Sw;
region_recod=YL%Sw; //此变量记录显示数据已进入哪一区
ram_point=ram_begin_addr+block_addr+region_addr-1; // ram_begin_addr为数据起始地址
SPI_write_read(0x03); //向串行FLASH发读命令,0x03为读控制字
SPI_write_read(((ram_point & 0xffffff)》》16)); //3字节24位地址
SPI_write_read(((ram_point & 0xffff)》》8));
SPI_write_read (ram_point & 0xff);
unit_board_num=Dw/64; //计算单元板的数量
for(p=0;p
{ SCK=0; SCK=1; }
SCK=0;
for(line=0;line
{ SPISIZE=0x0f; //设置2字节16位传输方式
for( board_i=0;board_i
{ for(j=0;j《64;j++)
{ SPIRXTX0=ACC; //启动数据传输出
while((SPISTATUS & BIT1) == 0); //等待发送(接收)完成
LED_SCK=0;LED_SCK=1; //送入单元板
} }
EN=1; //换行时暂关闭
P2=((P2&0xf0)|line);
if(region_recod》=Sw)
{ ram_point=ram_begin_addr+block_addr-1;
SPISIZE=0x07;
SPI_write_read(((ram_point & 0xffffff)》》16));
SPI_write_read(((ram_point & 0xffff)》》8));
SPI_write_read (ram_point & 0xff);
region_recod=0; i++;
if(i《=7)
for(p=0;p
{ SCK=0; SCK=1; }
SCK=0; }
RCK=1; RCK=0; //产生74HC595输出锁存信号
EN=0; } //开显示
unsigned char SPI_write_read (unsigned char Wr_Rd_Data)
{ unsigned char Temp_Flag;
SPDR= Wr_Rd_Data; //启动SPI发送或接收
do //判断发送或接收是否完成
{ Temp_Flag=SPSR&0x80;
}while(Temp_Flag!=0x80);
SPSR=SPSR&0x7F; //清SPI发送或接收完成标志
return SPDR; } //返回SPI接收到的数据
结 论
本控制系统利用串行FLASH在输出数据时的特点,最大的减少了数据处理的时间,将显示数据以“DMA”方式输出到显示屏,提高显示效率,并且弥补长条显示屏在显示信息上的不足。双RAM技术大大提高了垂直移动时的存储器使用效率,所有的数据块都是按静态显示方式组织数据,所以每一块RAM的显示数据效率都是100%,双RAM的效率为50%。
本文显示数据存放在一块FLASH中,效率也为50%,相比动态显示组织方式,降低了垂直移动时显示数据存储器的占用,提高存储效率。还可以双RAM技术为基础,扩展出多RAM方式,提高显示的高度,增加每屏显示信息,进一步提高存储效率。本系统仍有改进的空间,譬如以双RAM组织显示数据后直接用两个RAM来存放不同的数据,控制显示数据直接输出,提高输出速率。
责任编辑;zl
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