【正文】 論文主要內(nèi)容 針對設(shè)計題目的特點，作者對論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排： （ 1）初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計思想和設(shè)計方法擬定幾套設(shè)計方案進行分析比較。論文列出了詳細的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。 （ 4）驗證與測試 調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試幾步來進行。 （ 5）結(jié)論 設(shè)計完成后對設(shè)計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓、以及自己的想法進行總結(jié)。如圖 21 所示 ,根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)及上位機四部分組成。幾種設(shè)計方法比較各有其特點： （ 1）單片機 單片機是集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口的微型計算機。除此之外單片機還具有低電壓和低功耗的特點。顧名思義， DSP 主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理。而 DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專門的信號處理指令，如 TM320 系列的FIRS ， LMS， MACD 指令等 [5]。而且 MCU 和 DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD 則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面， FPGA/CPLP器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理 機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。 且 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各 I/O 口均置高電平）。因為通常情況下顯示屏和上位機的距離不會很遠，所以通信距離的要求不是很高。 （ 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，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。 綜上所述，題目設(shè)計已經(jīng)選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的 UART 已經(jīng)集成在單片機內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。構(gòu)成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起來，如圖 22 所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的LED點陣子模塊構(gòu)成大的 LED點陣模塊。為了避免模塊的缺點，選擇點陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風險。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。題目將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設(shè)計。 通 信 程 序控 制 程 序主 程 序靜 態(tài) 顯 示 程 序特 效 顯 示 程 序 圖 25 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖 軟件的編寫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中執(zhí)行。兩種語言相比較各有優(yōu)點。 C 語言結(jié)構(gòu)是以括號 { }而不是子 和特殊符號的語言。 C 語言作為一種非常方便的 語言而得到廣泛的支持， C 語言程序本身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機的不同較快地移植過來。支持 MCS－ 51 用 C 語言編程的編譯器主要有兩種： Franklin C51 編譯器和 KEILC51 編譯器。上位機的作用是存儲并處理顯示內(nèi)容，然后通過通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動顯示。兩種顯示方法相比較：實時顯示屏幕能及時反應(yīng)上位機內(nèi)容的變化，顯示的效果和內(nèi)容的實時性好多用于新聞播報、實況轉(zhuǎn)播用，但實時顯示硬件開銷大，對通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲顯示雖實時性不高但硬件開銷小，成本低廉。具體工作流程為：上位 PC 機通過通信系統(tǒng)向單片機發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，單片機接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過 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)動電路進行電壓和電流的處理以達到 LED 顯示屏的顯示電流，電壓要求進而使顯示屏顯示內(nèi)容 [11]。并且顯示要清晰。執(zhí)行頻率要能達到掃描顯示的最低要求。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯碼電路控制 LED 顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。根據(jù)這兩點要求，選擇美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S51 為控制單元的主控芯片。與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 全靜態(tài)工作模式： 0Hz－ 33MHz 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 同時，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。 AT89S51 的最小系統(tǒng)包括了外界時鐘電路和復(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。其中 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H－ FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。所以 P1 和 P2 口留為外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的擴展用，以備內(nèi)部存儲器和程序存儲器不夠用的情況時使用 [12]。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機的端口輸出來控制 1616 的 LED 點陣屏顯示，需要 32 個端口。當清除端（ CLEAR）為低電平時，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。 表 31 74LS164 工作參數(shù) 參數(shù) 最小值 標準值 最大值 單位 高電平輸入電壓 2 — — V 低電平輸入電壓 — — V 高電平輸出電壓 V 低電平輸出電壓 — V 時鐘頻率 0 — 25 MHZ 這就要求單片機的引腳輸出的高低電平要在芯片的識別范圍內(nèi)，由于采用了列選通行傳送顯示代碼的方法所以行譯碼電路上也加上了 74L373 鎖存芯片。因此在串并轉(zhuǎn)換完成前就需要 74LS164 的輸出口不與驅(qū)動電路導通。當 OE 為高電平時， O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 驅(qū)動電路設(shè)計 行驅(qū)動電路設(shè)計 發(fā)光二極管， LED(Light Emitting Diodes)，即是在在某些半導體材料的 PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。發(fā)射極 e 接 5V 電源，基極接譯碼信號輸出端，集電極接輸出驅(qū)動 LED 點陣屏。故 8550 在驅(qū)動電路中起到提供驅(qū)動電流和選通開關(guān)的作用。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。具體電路如圖 37 所示。但單片機串行口采用正邏輯 TTL 電平，即數(shù)字 “1”時為＋ 5V 數(shù)字 “0”時為 5V，所以單片機與計算機不能直接相連進行通信必須將 RS232C 與 TTL 電平進行轉(zhuǎn)換 [14]。在實際的大屏幕 LED顯示屏設(shè)計中，用電腦 USB 供電明顯不切實際。最后通過 5V三端穩(wěn)壓模塊 LM7805 得出穩(wěn)定的 5V輸出。但是這種級連方法也存在一定的缺點， 51 系列的單片機的晶振頻率不高 74LS164級連過多會增加一次掃描的時間從而導致顯示出現(xiàn)閃爍。其中各子顯示系統(tǒng)之間在功能和控制上都是相互獨立的，將一幅大屏幕畫面拆分為幾塊小畫面再分別送入到各子系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)同步顯示便可以得到一幅大的畫面。即增加單個顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時又將單個的顯示系統(tǒng)級連。其功能結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。外部中斷源由按鍵的電平變化觸發(fā)，外部系統(tǒng)初始 從顯示數(shù)組讀取數(shù)據(jù)到顯示寄存器 讀取顯示控制命令選擇顯示方式 調(diào)用相應(yīng) 顯示程序 RI=1? 起始位？ 接收顯示數(shù)據(jù)及控制命令 將顯示數(shù)據(jù)移入顯示數(shù)組將控制命令賦值給控制字符 N N Y Y 開 始 中斷開始 中 斷 返 回 中斷主要功能是選擇 LED 點陣顯示屏的控制方式是由按鍵控制還是上位機控制和顯示狀態(tài)是靜態(tài)顯示還是動態(tài)顯示。按照設(shè)定的方式和內(nèi)容顯示出所需要的內(nèi)容。在該顯示系統(tǒng)中掃描顯示的工作原理如圖 42 所示，先選通列然后再從行送入對應(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 16 列循環(huán)往復(fù)，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面。所以一幅畫面的數(shù)據(jù)量為 32 字節(jié)。靜態(tài)顯示程序流程圖如圖 44 所示： 圖 44 靜態(tài)顯示程序流程圖 顯示采用的是列掃描的顯示方式，選通一列后按照列與數(shù)據(jù)元素的對應(yīng)關(guān)系第 i列對應(yīng)的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第 i和第 i+16 個元素。顯示數(shù)據(jù)與列的對應(yīng)關(guān)系為：第 i列對應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中 i和第 2i 個數(shù)據(jù)。同理第 17 至 32 個元素的第 8 至第 1 位 LED 顯示屏中的第 9 至第 16 行。 MCS51 單片機設(shè)置了 4 個專用寄存器用于中斷控制，分別為定時器控制寄存器（ TCON），串行口中斷控制器（ SCON），中斷允許控制寄存器（ IE），中斷優(yōu)先級控制寄存器（ IP）。 EA 為中斷允許總控 制位， EA=1 時 CPU 開發(fā)中斷； EA＝ 1 時。 表 41 中斷允許寄存器格式 所以初始化時設(shè)定中斷允許寄存器初值為 0XFF，指令為 IE=0XFF。通信協(xié)議如表 42 所示： 表 42 串口通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 第 1 個字節(jié) 第 2 至第 33 個字節(jié) 第 34 個字節(jié) 內(nèi)容 起始標志位 ?S? 顯示數(shù)據(jù) 控制指令 作用 判斷是否開始接收數(shù)據(jù) LED 的顯示內(nèi)容 控制 LED 顯示方式 具體串口中斷程序流程圖如圖 46 所示，在主程序中先進行了串行中斷的初始化，初始化內(nèi)容包括了串行工作方式選擇，波特率的設(shè)定，計數(shù)初值的設(shè)定。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 EA — — ES ET1 EX1 ET0 EX0 圖 46 通信程序流程圖 所有軟件編寫完成后都必須經(jīng)過編譯才能被單片機識別使用。 RI=1接收串口數(shù)據(jù) 起始位‘ S’ 接收起始位后 33 位數(shù)據(jù) 接收到第 34位？ 將第 2 位起的 32 位數(shù)據(jù)發(fā)回 PC 機 N N N Y Y Y 中斷開始 中斷返回 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 硬件制作和軟件編寫過后，得出實物如圖 51 所示。 圖 51 實物圖 系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法 硬件調(diào)試主要是調(diào)試各部分的焊接是否合格和各芯片的輸出輸入電壓是否符合設(shè)計要求，最后測試各硬件部分能否完成設(shè)計功能。按照電路圖檢測需要連接的兩點是否短路來檢測是否已經(jīng)連接上，以此來檢測虛焊的情況。 上電后首先觀察電路是否有過熱，異味，冒煙的現(xiàn)象出現(xiàn)。 串口調(diào)試 串口部分的作用為單片機與 PC 機之間通信，要檢查硬件是否正常工作可以采用將 MAX232 芯片的單片機端輸出口與輸入口直接相連的辦法來測試。 【 19】 將串口與電腦 COM1 相接，通過串口調(diào)試助手發(fā)送不同位數(shù)的數(shù)據(jù)再在把發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)相比較。串口調(diào)試工具選用的是串口調(diào)試助手，其功能是按照設(shè)定的串口、波特率向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)和接收單片機向 PC 機發(fā)送的數(shù)據(jù)。測試程序時設(shè)定波特率為 9600，選擇 串口 1，無校驗， 8 位數(shù)據(jù)。再進行數(shù)次不同數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收到的數(shù)據(jù)也驗證了設(shè)計要求的實現(xiàn)。其余功能的軟件便可以在此基礎(chǔ)上調(diào)試驗證其功能的正確性。 （ 2）將靜態(tài)顯示子程序與各種動態(tài)顯示程序結(jié)合硬件電路進行調(diào)試