【正文】 序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，以及流水線技術(shù)，這使得速度有了較大的提高。DSP區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實(shí)現(xiàn)乘法,逐條執(zhí)行指令，速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算，而且還具有專門(mén)的信號(hào)處理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS，MACD指令等[5]。（3）EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，它是以計(jì)算機(jī)為工具，在EDA 軟件平臺(tái)上，對(duì)用硬件描述語(yǔ)言HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計(jì)者只需用HDL 語(yǔ)言完成系統(tǒng)功能的描述，借助EDA工具就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片就可在硬件上實(shí)現(xiàn)。由于FPGA/CPLD可以通過(guò)軟件編程對(duì)該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件，軟件編寫(xiě)可以采用自頂向下的設(shè)計(jì)方案，而且可以多個(gè)人分工并行工作這樣便縮短了開(kāi)發(fā)周期和上市時(shí)間，有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。而且MCU和DSP都是通過(guò)串行執(zhí)行指令來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，在實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP器件在功能開(kāi)發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的，但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。三種設(shè)計(jì)方式相比較各有優(yōu)點(diǎn)且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門(mén)檻較低開(kāi)發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場(chǎng)上常用的單片機(jī)主要有MCS5AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢(shì)常作為單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。且51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各I/O口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時(shí)，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定51系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。 通信系統(tǒng) 通信部分要滿足的設(shè)計(jì)要求就是穩(wěn)定、快速、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下顯示屏和上位機(jī)的距離不會(huì)很遠(yuǎn)，所以通信距離的要求不是很高。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。（1）并行通信并行通信時(shí)數(shù)據(jù)的各個(gè)位同時(shí)傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。（2）串行通信串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長(zhǎng)，因此串行適用于長(zhǎng)距離而速度要求不高的場(chǎng)合。在串行發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進(jìn)行的，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實(shí)現(xiàn)也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。單由軟件實(shí)現(xiàn)會(huì)增加CPU負(fù)擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實(shí)現(xiàn)。通用的通用異步接收/發(fā)送器，簡(jiǎn)稱UART（Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。在單片機(jī)芯片中，UART已經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個(gè)串行口[6]。綜上所述，題目設(shè)計(jì)已經(jīng)選定了單片機(jī)為開(kāi)發(fā)方式而單片機(jī)的UART已經(jīng)集成在單片機(jī)內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。如圖串口通信單片機(jī)最小系統(tǒng)LED點(diǎn)陣 圖22 硬件電路聯(lián)系圖 LED點(diǎn)陣顯示屏顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個(gè)漢字的顯示屏，以及驅(qū)動(dòng)該顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路。由于單片機(jī)的I/O口有限要不能直接用I/O口來(lái)驅(qū)動(dòng)LED顯示屏，所以需要對(duì)單片機(jī)IO口進(jìn)行擴(kuò)展增加單片機(jī)并行輸出的能力。LED顯示屏是由一個(gè)一個(gè)的發(fā)光二極管點(diǎn)陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的LED顯示屏就需要多個(gè)發(fā)光二極管。構(gòu)成LED屏幕的方法有兩種，一是由單個(gè)的發(fā)光二極管逐點(diǎn)連接起來(lái)，如圖22所示；二是選用一些由單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的LED點(diǎn)陣子模塊構(gòu)成大的LED點(diǎn)陣模塊。目前市場(chǎng)上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有81616幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)單個(gè)的發(fā)光二極管出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)只需更換一個(gè)二極管即可，檢修的成本較低，缺點(diǎn)在于連接線路復(fù)雜；而點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過(guò)當(dāng)一個(gè)LED出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)同在一個(gè)模塊的所有LED都必須被更換。這就加大了維修的成本。兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來(lái)制作一個(gè)LED點(diǎn)陣顯示屏。為了避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來(lái)減小出現(xiàn)這一問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。所以構(gòu)建一個(gè)1616的LED點(diǎn)陣屏選用四塊88點(diǎn)陣模塊。圖 23 LED點(diǎn)陣圖一個(gè)1616的LED顯示屏行和列各有16支引腳，不能單靠51單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)所以必須要對(duì)單片機(jī)的端口個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。經(jīng)常采用的端口擴(kuò)展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有74LS154（4線16線譯碼器）、74LS164（8位串并轉(zhuǎn)換器）、74HC595等。51系列單片機(jī)端口低電平時(shí)，吸入電流可達(dá)２０ｍＡ，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十μＡ甚至更?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示屏顯示。在單片機(jī)和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動(dòng)電路[7]。 硬件設(shè)計(jì)方案最終方案如圖23所示，以PC機(jī)作為上位機(jī)存儲(chǔ)和處理顯示內(nèi)容用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳輸來(lái)的內(nèi)容和指令通過(guò)端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動(dòng)4塊88LED點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的1616的LED點(diǎn)陣顯示屏。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開(kāi)具體的硬件電路設(shè)計(jì)。圖24 硬件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)軟件方案軟件的設(shè)計(jì)除了滿足設(shè)計(jì)功能外還必須要滿足易讀寫(xiě)，方便下載和編譯。設(shè)計(jì)目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種特效顯示子程序，通信程序三個(gè)主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖24所示。圖25 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖軟件的編寫(xiě)需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片機(jī)中執(zhí)行。編寫(xiě)軟件之前得首先選擇一種合適的語(yǔ)言以及配套的編輯器和編譯軟件。最后還要選擇一款與所選單片機(jī)的下載器或下載軟件來(lái)把編寫(xiě)的程序下載到單片機(jī)中執(zhí)行。 單片機(jī)編程語(yǔ)言現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。兩種語(yǔ)言相比較各有優(yōu)點(diǎn)。匯編語(yǔ)言(Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也是利用計(jì)算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語(yǔ)言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)，但在編寫(xiě)復(fù)雜程序時(shí)具有明顯的局限性，匯編語(yǔ)言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植[8]。C語(yǔ)言是一種源于編寫(xiě)UNIX操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生壓縮代碼。C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)是以括號(hào){ }而不是子和特殊符號(hào)的語(yǔ)言。C可以進(jìn)行許多機(jī)器級(jí)函數(shù)控制而不用匯編語(yǔ)言。與匯編相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)單片機(jī)的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對(duì)51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲(chǔ)器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)。這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化；將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；編程及程序調(diào)試時(shí)間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫(kù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因?yàn)樗哂蟹奖愕哪K化編程技術(shù)。C語(yǔ)言作為一種非常方便的語(yǔ)言而得到廣泛的支持，C語(yǔ)言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機(jī)的不同較快地移植過(guò)來(lái)?；谝陨侠碛蓻Q定采用C語(yǔ)言為該顯示系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。 系統(tǒng)軟件編譯器介紹C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序并不能被單片機(jī)直接執(zhí)行還需要編譯為單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。支持MCS－51用C語(yǔ)言編程的編譯器主要有兩種：Franklin C51編譯器和KEILC51編譯器。目前在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中普遍都是使用KEIL C51來(lái)進(jìn)行編譯。因此軟件設(shè)計(jì)最終方案為采用C語(yǔ)言為程序語(yǔ)言，KELC為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個(gè)功能模塊來(lái)編寫(xiě)程序。 上位機(jī)控制傳輸軟件其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的PC機(jī)作為上位機(jī)，這樣對(duì)該顯示系統(tǒng)的硬件要求便降低了，增加了系統(tǒng)的通用性。上位機(jī)的作用是存儲(chǔ)并處理顯示內(nèi)容，然后通過(guò)通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)顯示。LED顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)顯示兩種方法。實(shí)時(shí)顯示及上位機(jī)屏幕上的內(nèi)容同時(shí)顯示在LED顯示屏上，上位機(jī)上內(nèi)容變化LED顯示屏也跟著變化。存儲(chǔ)顯示是將顯示內(nèi)容處理過(guò)后存儲(chǔ)在上位機(jī)中通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏顯示[9]。兩種顯示方法相比較：實(shí)時(shí)顯示屏幕能及時(shí)反應(yīng)上位機(jī)內(nèi)容的變化，顯示的效果和內(nèi)容的實(shí)時(shí)性好多用于新聞播報(bào)、實(shí)況轉(zhuǎn)播用，但實(shí)時(shí)顯示硬件開(kāi)銷大，對(duì)通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲(chǔ)顯示雖實(shí)時(shí)性不高但硬件開(kāi)銷小，成本低廉。課題設(shè)計(jì)題目對(duì)顯示的實(shí)時(shí)性要求較低且所設(shè)計(jì)的顯示屏尺寸不大同時(shí)顯示的內(nèi)容不多，所以實(shí)時(shí)顯示就沒(méi)有必要。所以上位機(jī)選擇存儲(chǔ)顯示的方法，控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容[10]。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)，通信系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動(dòng)電路和1616的點(diǎn)陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位PC機(jī)通過(guò)通信系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，單片機(jī)接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過(guò)I/O口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由顯示驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流的處理以達(dá)到LED顯示屏的顯示電流，電壓要求進(jìn)而使顯示屏顯示內(nèi)容[11]。根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實(shí)現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個(gè)系統(tǒng)之中。通過(guò)查閱資料和對(duì)比最終的硬件原理圖如圖31所示。 圖31 硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求有以下幾點(diǎn)：（1）LED顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個(gè)漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。（2）驅(qū)動(dòng)電路要能提供LED顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。（3）譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以及譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路的要求。（4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制LED顯示屏的顯示，并且端口驅(qū)動(dòng)能力要足以驅(qū)動(dòng)譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的最低要求。（5）單片機(jī)由ISP下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。（6）由串口完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_(dá)到顯示要求。 控制單元設(shè)計(jì)控制單元是整個(gè)顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用51系列單片機(jī)為核心器件，用來(lái)和上位機(jī)通信處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令和顯示內(nèi)容。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過(guò)譯碼電路控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。在51系列單片機(jī)中選定一款合適的機(jī)型來(lái)作為控制單元的主控芯片。根據(jù)題目的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因?yàn)樵谲浖O(shè)計(jì)時(shí)方便的程序下載對(duì)程序的驗(yàn)證和編寫(xiě)非常有用。還有就是為了提高LED顯示屏的掃描速度，單片機(jī)的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，選擇美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51為控制單元的主控芯片。 AT89S51簡(jiǎn)介AT89S51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位AT89S51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT989S51具有以下特點(diǎn)：與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫(xiě)周期－全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz三級(jí)程序加密鎖1288字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源全雙工串行UART通道低功耗空閑和掉電模式中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)看門(mén)狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁(yè)寫(xiě)模式） AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門(mén)狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個(gè)最小系統(tǒng)（指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)）。AT89S51的最小系統(tǒng)包括了外界時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，選定一定數(shù)量的IO口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。根據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖32所示。在該系統(tǒng)中，P1各口主要用作LED顯示數(shù)據(jù)的控制輸出。由于端口的驅(qū)動(dòng)能力有限所以該端口外接了5K的上拉電阻來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。具體接法為：，，向74LS164送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)換后并行輸出；，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出；，在一組數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)換后清除164芯片中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換新的數(shù)據(jù)；。，當(dāng)為高電平使允許輸出；。 端口30