基于MCS51單片機的大屏幕LED顯示屏高速控制方案

摘要：以MCS51系列單片機為例，介紹單片機對大屏幕LED顯示屏的一種高速控制方案。單片機對LED顯示屏的顯示控制，一般是先從數(shù)據(jù)存儲器讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)寫給LED點陣片。本方案的創(chuàng)新點是：用一條對外部數(shù)據(jù)存儲器的讀指令，同時完成對外部數(shù)據(jù)存儲器讀和對LED點陣片的寫操作。本文詳細(xì)介紹高速控制方案的電路設(shè)計，并簡要提示軟件編制的要點；最后介紹高速控制方案在大屏幕LED顯示屏中的應(yīng)用。

引言

　　LED顯示屏的基本工作原理是動態(tài)掃描。顯示控制的過程是先從數(shù)據(jù)存儲器讀得字模數(shù)據(jù)，再通過單片機的串行口或并行口將數(shù)據(jù)寫給LED點陣片，然后再行掃描。

　　動態(tài)掃描方案和靜態(tài)顯示方案相比節(jié)省驅(qū)動元件，但要求刷新頻率高于50 Hz，以避免顯示的圖像或文字出現(xiàn)閃爍。由于刷新頻率的限制，一片單片機能控制顯示元件的片數(shù)是較少的。

　　現(xiàn)在大屏幕LED顯示屏的應(yīng)用已越來越廣泛。為了對成百、上千片的LED點陣片實現(xiàn)有序的、快速的顯示控制，人們動了許多腦筋，雙CPU、雙RAM的方案，FPGA的方案等都獲得了成功的應(yīng)用；但是這些方案的顯示控制過程還是先讀后寫。

　　本方案另開思路：用一條讀指令，將讀和寫合在一步完成，可大大地提高顯示控制的效率，且電路簡單。

1? LED顯示屏的工作原理

　　LED顯示屏的基本工作原理是動態(tài)掃描。動態(tài)掃描又分為行掃描和列掃描兩種方式，常用的方式是行掃描。行掃描方式又分為8行掃描和16行掃描兩種。

　　在行掃描工作方式下，每一片LED點陣片都有一組列驅(qū)動電路，列驅(qū)動電路中一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù)。在行掃描工作方式下，同一排LED點陣片的同名行控制引腳是并接在一條線上的，共8條線，最后連接在一個行驅(qū)動電路上；行驅(qū)動電路中也一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存行掃描信號。

　　LED顯示屏的列驅(qū)動電路和行驅(qū)動電路一般都采用單片機進行控制，常用的單片機是MCS51系列。LED顯示屏顯示的內(nèi)容一般按字模的形式存放在單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器中，字模是8位二進制數(shù)。

　　單片機對LED顯示屏的控制過程是先讀后寫。按LED點陣片在屏幕上的排列順序，單片機先對第1排的第1片LED點陣片的列驅(qū)動鎖存器，寫入從外部數(shù)據(jù)存儲器讀得的字模數(shù)據(jù)，接著對第2片、第3片……直到這一排的最后一片都寫完字模數(shù)據(jù)后，單片機再對這一排的行驅(qū)動鎖存器寫行掃描信號，于是第1排第1行與字模數(shù)據(jù)相關(guān)的發(fā)光二極管點亮。接著第2排第1行、第3排第1行……直到最后一排第1行的點亮。各排第1行都點亮后，延時一段時間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機對LED顯示屏的一行掃描控制。

　　單片機對LED顯示屏第2行的掃描控制、第3行的掃描控制……直到第8行的掃描控制，其過程與第1行的掃描控制過程相同。對全部8行的控制過程都完成后，LED顯示屏也就完成了1幀圖像的完整顯示。

　　雖然按這種工作方式，LED顯示屏是一行一行點亮的，每次都只有一行亮，但只要保證每行每秒鐘能點亮50次以上，即刷新頻率高于50 Hz，那么由于人的視覺惰性，所看到的LED顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像。

2? LED顯示屏的傳統(tǒng)控制方法

　　參考文獻［1］對LED顯示屏的控制電路作了歸納和比較。其中，顯示控制電路是按行掃描方式工作的，列控制電路分為兩大類。列控制電路中，一類是用74LS377之類的芯片作為列驅(qū)動電路的鎖存器，CPU通過并行總線給列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)；另一類是用移位寄存器74LS595之類的芯片作為列驅(qū)動電路的鎖存器，CPU通過串行總線給列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)。

　　無論是并行總線的控制方式還是串行總線的控制方式，其工作過程都是先給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值，接著累加器A按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向，從外部數(shù)據(jù)存儲器RAM中讀得字模數(shù)據(jù)。然后，并行總線時，再給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值，接著CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向，寫給LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器；串行總線時，CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù)，通過串行口寫給LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器。

　　一般顯示控制中，使用較多的單片機是MCS51系列。假設(shè)單片機系統(tǒng)的晶振頻率是12 MHz，機器周期是1 μs，上述兩種控制方式完成1片LED點陣片的顯示控制都得十幾μs。

　　本文提出的高速控制方案，完成1片LED點陣片的顯示控制大約只要4 μs。按此推算，1片MCS51系列的單片機，差不多可以對600多片LED點陣片進行顯示控制。與傳統(tǒng)的控制方法相比，顯示控制的效率成倍提高。

3? LED顯示屏的高速控制方案

圖1是高速控制方案LED顯示屏電路原理。采用MCS51系列單片機對LED顯示屏進行控制；隨機存儲器62512用作LED顯示屏的數(shù)據(jù)存儲器，存儲待顯示內(nèi)容的字模數(shù)據(jù)；采用8行掃描方式，多片LED點陣片共用1組行驅(qū)動電路；每片LED點陣片都有一組列驅(qū)動電路，用74LS377作為列驅(qū)動的鎖存器，CPU通過并行總線給列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)；地址譯碼電路，用于產(chǎn)生LED點陣片行驅(qū)動電路和列驅(qū)動電路的片選地址。

圖1? 高速控制方案LED顯示屏電原理

　　本方案的特點有兩個： 第一，雖然CPU還是通過并行總線給列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)，但是鎖存器的鎖存信號改用了CPU的控制信號RD，而不是常規(guī)用法的WR;第二，地址譯碼電路保證了LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲器的某一段的邏輯地址是重疊的，而不是常規(guī)用法，這兩組地址必須分開。

　　由于上述電路的一些簡單更改，單片機對LED顯示屏的顯示控制效率將發(fā)生明顯的變化。具體工作過程如下： 假定數(shù)據(jù)指針DPTR中已經(jīng)裝入了數(shù)據(jù)存儲器的地址，執(zhí)行指令“MOVXA，@DPTR”。這條指令的功能是CPU按DPTR的指向從外部數(shù)據(jù)存儲器中讀字模數(shù)據(jù)，讀到累加器A中；但是在本電路中，由于LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲器的某一段的邏輯地址是重疊的，也就是說，在執(zhí)行指令“MOVXA，@DPTR”時，DPTR除了指向外部數(shù)據(jù)存儲器的某個地址外，還選中了某一個LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器。如果此時被選中的這個鎖存器的鎖存引腳正好有打入脈沖來到，那么鎖存器也就將從外部數(shù)據(jù)存儲器送出的字模數(shù)據(jù)鎖住了。這個打入脈沖用的就是RD。RD是CPU在執(zhí)行指令“MOVXA，@DPTR”時向外部數(shù)據(jù)存儲器發(fā)出的讀控制信號。由于MCS51系列單片機的讀控制信號RD和寫控制信號WR的時序完全相同［2］，RD代替WR實現(xiàn)鎖存功能，當(dāng)然也就沒有什么懸念了。這條指令在執(zhí)行時，在完成對數(shù)據(jù)存儲器讀的同時，又完成了對LED點陣片的寫，因此加快了顯示控制的過程。

　　前面講過，并行總線時CPU完成1次向LED點陣片的列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序過程，大約需要十幾μs；而現(xiàn)在只要4? μs，快多了，因為現(xiàn)在完成1次向LED點陣片的列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序過程只要兩步，首先給數(shù)據(jù)指針DPTR賦有效地址，接著CPU按DPTR的指向從外部數(shù)據(jù)存儲器中讀字模數(shù)據(jù)，與此同時也將字模數(shù)據(jù)傳給了LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器。2條指令，4個機器周期，4 μs。這里要補充說明一點，在編制全部LED點陣片列驅(qū)動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)的程序時，不要用循環(huán)指令，因為那樣每次過程又得增加2 μs；要采用對LED點陣片逐片編程的方法，這樣編出來的程序雖然占空間，但節(jié)省了時間。用空間換時間的設(shè)計方法，有時也是設(shè)計人員值得嘗試的一種方法。

　　本電路的行驅(qū)動鎖存器的鎖存控制，還是用CPU的寫控制信號WR，不作更改。行驅(qū)動鎖存器的片選信號也來自地址譯碼電路。為了避免數(shù)據(jù)存儲器和LED點陣片之間的相互干擾，與這組地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器的這部分存儲空間就不用它了。

　　地址譯碼電路的設(shè)計，應(yīng)保證LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址和數(shù)據(jù)存儲器的某一段的邏輯地址是重疊的。具體設(shè)計舉例如下：

　　假定某一塊LED顯示屏用了240片LED點陣片，可顯示16×16的漢字60個，用1片MCS51系列單片機進行高速控制。這240片LED點陣片列驅(qū)動電路的片選地址就應(yīng)有240個，地址譯碼電路必須保證譯碼后的有效地址大于這個數(shù)量。圖1中的地址譯碼電路，輸入的地址信號是A0～A7和A11～A15，沒有接入A8、A9、A10。用74LS138譯碼器，三級譯碼后可得到256根有效地址線，第1根有效地址線對應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲器的8個地址：0000H、0100H、0200H、0300H、0400H、0500H、0600H、0700H。第2根有效地址線對應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲器的8個地址：0001H、0101H、0201H、0301H、0401H、0501H、0601H、0701H。……第256根有效地址線對應(yīng)外部數(shù)據(jù)存儲器的8個地址：00FFH、01FFH、02FFH、03FFH、04FFH、05FFH、06FFH、07FFH。這256根有效地址線，240根給列驅(qū)動電路的片選地址，余下的給行驅(qū)動電路的片選地址；如果不夠用，行驅(qū)動電路可考慮改為串行總線的方式進行控制。上述分析結(jié)果表明，1片LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的8個字節(jié)的地址建立了重疊關(guān)系。這是因為每片LED點陣片都有8行，每行都對應(yīng)1個字節(jié)的字模數(shù)據(jù)。

　　上述分析結(jié)果還表明，全部LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的0000H～07FFH地址段建立了映射關(guān)系。數(shù)據(jù)存儲器0000H～07FFH中存放的正好是一幀圖像的全部字模數(shù)據(jù)。

4? 高速控制方案在LED顯示屏中的應(yīng)用

　　現(xiàn)在商業(yè)上用的大屏幕LED顯示屏，用到的LED點陣片成百、上千甚至幾千片。單片機對LED顯示屏的控制，包括單片機與PC機的通信、字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理以及顯示控制三個部分。1片單片機要與PC機通信，又要進行數(shù)據(jù)處理，還要進行顯示控制，肯定是忙不過來的。

　　為了解決大屏幕LED顯示屏的控制問題，許多文獻都對控制方案作了成功的設(shè)計。不少方案［36］的基本思路是數(shù)據(jù)處理由一片單片機完成，顯示控制由另一片單片機或一個專門設(shè)計的電路完成。這些方案的控制效率雖然很高，但是電路比較復(fù)雜。

圖2? 數(shù)據(jù)存儲器分段選擇開關(guān)電路

本方案的基本思路是，單片機與PC機的通信、數(shù)據(jù)處理及顯示控制都由1片單片機完成。顯示控制采用本文提出的高速控制方案，電路簡單，而且顯示控制的效率很高。例如，LED點陣片采用常用的6 cm×6 cm外廓尺寸的LED點陣片時，屏幕面積小于2 m2時，1片MCS51系列單片機就可以完成。但是，高速控制方案用于大屏幕LED顯示屏，還有一些問題要解決：

　?、? 單片機與PC機的通信問題。大屏幕LED顯示屏與PC機連接時，PC機用來編輯待顯示的內(nèi)容，并將內(nèi)容傳給大屏幕LED顯示屏中的單片機。PC機與單片機通信時，不會干擾顯示屏的工作。因為顯示屏工作時，是一場一場顯示的，場與場之間有黑屏的時間，利用黑屏的時間進行通信完全沒有問題。

　?、? 增加顯示場次的問題。大部分顯示屏的工作方式是，顯示的內(nèi)容一場、一場、又一場，如此循環(huán)。前面的設(shè)計只考慮了顯示一幀圖像時，LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的一段建立映射關(guān)系的問題，因此只能顯示一場定格的圖像。在圖1的基礎(chǔ)上增加圖2，可以使LED點陣片的I/O接口地址和數(shù)據(jù)存儲器的多段建立映射關(guān)系。工作時，由P1口控制多路開關(guān)，切換數(shù)據(jù)存儲器的不同段和LED點陣片的I/O接口地址映射，于是顯示屏就可以一場一場地循環(huán)顯示了。如果擴充外部數(shù)據(jù)存儲器的片數(shù)，并由P1口使能其中的一片有效，那么將可以擴充更多的段和LED點陣片的I/O接口地址建立映射關(guān)系，這樣的話，像拉幕、流水等一些顯示效果，也就可以實現(xiàn)了。

　?、? 字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理問題。顯示的方式比較多，比如有定格、拉幕、流水，流水方式中又有向左流水、向右流水等。在轉(zhuǎn)換顯示方式時，就必須進行一次字模數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理，用1片單片機，這也不會成為問題。因為轉(zhuǎn)換顯示方式時，本來要黑屏1 s至幾s，這段時間也就正好用來進行數(shù)據(jù)處理了。

結(jié)語

　　本LED顯示屏的高速控制方案，經(jīng)應(yīng)用證明工作穩(wěn)定、可靠，且電路簡單，特別適合銀行匯率顯示屏、利率顯示屏使用。另外本文提出的靈活運用讀指令的思路，也可以提供給人們作為借鑒。