【正文】 通訊模塊、 SD 卡讀寫模塊以及單片機(jī)最小系統(tǒng)等幾大模塊 組成 。 但 隨著版本的逐漸提升 ,Protel99SE 不方便的操作越來越不能讓人滿意。上位機(jī)軟件關(guān)系到 LED 顯示屏顯示數(shù)據(jù)的組織和處理以及控制卡和 PC 機(jī)之間的通訊，所以極為重要。它是 AVR 官方的軟件，完全免費(fèi)。匯編語言的靈活性 很 強(qiáng)， 語言簡潔，但 可讀性 差，維護(hù)和擴(kuò)展難 ，特別是當(dāng)程序 注釋少時 ，其次就是代碼的重用性 能 比較低。沒有字模芯片的控制方案完全通過上位機(jī)軟件依靠 PC 機(jī)來實(shí)現(xiàn)字模數(shù)據(jù)的處理，充分利 用了資源，節(jié)約了成本。在不增加多少硬件成本的基礎(chǔ)上，大大增加了控制 器 的驅(qū)動能力，實(shí)現(xiàn) 了課題的控制要求。 這種數(shù)據(jù)輸出方式還可以改進(jìn)為直接由外部 RAM 輸出數(shù)據(jù)，不經(jīng)過控制器的 DMA 方式，這樣數(shù)據(jù)輸出的速度將更快。 數(shù)據(jù)輸出方案選擇 LED 顯示屏控制器的數(shù)據(jù)輸出方式有很多種，根據(jù) LED 顯示屏的大小，顯示的信息類型而定。由于現(xiàn)在的單片機(jī)或是 ARM 中都有FLASH 存儲器，所以一般的 LED 顯示屏控 制系統(tǒng)都把顯示數(shù)據(jù)存放在 FLASH存儲器上，通過對 FLASH 存儲器的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時修改。 LED 顯示屏中的無線通訊大多指的是短信 GSM 無線接收。接口信號電平比 RS232降低了， 所以 不易損壞接口電路的芯片，且該電平與 TTL電平兼容，可方便與 TTL電路連接 。這就需要條屏控制卡通過某種方式和 PC 機(jī)連接，進(jìn)行通訊。 ATmega16 單片機(jī) 的功能強(qiáng)大，內(nèi)部資源豐富，性 價比極高，具有以下特點(diǎn)： A. 采用先進(jìn) RISC 結(jié)構(gòu)的 AVR 內(nèi)核 ，有 131 條機(jī)器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個系統(tǒng)時鐘周期 。為了設(shè)計具有高性價比的 LED 顯示屏控制 器， 本課題最終選用 AVR 單片機(jī)作為主控制器。 方案三： AVR 單片機(jī) 使用 AVR單片機(jī)為 LED條屏控制 器 的控制 芯片 。因受到單片機(jī)運(yùn)算速度及通信速率的限制， LED 條屏控制 器 的控制范圍有限，達(dá)不到 19232（雙色）點(diǎn)陣的控制要求， LED 動態(tài)顯示的刷新率也不可能做得太高，實(shí)際顯示效果上有比較明顯的閃爍感。 系統(tǒng)總體設(shè)計 根據(jù)課題研究的內(nèi)容，經(jīng)過仔細(xì)的分析可知系統(tǒng)由單片機(jī) 最小系統(tǒng)、 SD 卡讀寫模塊、 RS232 通信模塊和功能鍵輸入模 塊，共四個模塊組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。所有信號經(jīng)過再次驅(qū)動后，基于 AVR 單片機(jī)的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 8 分為兩部分進(jìn)入控制電路： RCK、 SCK、 R R G G2 進(jìn)入列數(shù)據(jù)電路； A、B、 C、 D、 OE 進(jìn)入掃描電路。 RCK 為 74HC595 數(shù)據(jù)鎖存信號，上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖存入并行寄存器，同時屏體顯示更新。 LED 顯示屏 單元板結(jié)構(gòu)及其電路介紹 LED 顯示屏單元板的基本結(jié)構(gòu) 8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模8 8組 模4 5 m m1 5 m m 24 Φ 雙色 192 32 點(diǎn)陣 LED 單元板模塊排列 示意圖 LED 單元板的基本組成單位是 8 8 LED 模塊，一般采用 8 4 的排列方式，即高四塊，長 8 塊， 64 32 點(diǎn)陣大小 。串行控制驅(qū)動方式可選用的芯片有： MC409 74HC59 74LS595 等等。本項(xiàng)目所 使 用的 LED 顯示 屏采用 1/16 掃描方式。 Y 叫行掃描線，行掃描線在每個時刻只有一根線為 “1”即有效行選通電平， X 叫列數(shù)據(jù)線，其內(nèi)容就是 LED 顯示屏的顯示數(shù)據(jù) 。 圖 21 88 LED 模塊內(nèi)部電路 在圖 21 中 紅色水平線 Y0、 Y1……Y7 叫做行線，接內(nèi)部發(fā)光二極管的陽極，每一行 8 個 LED 的陽極都接在本行的行線上。 LED 顯示屏顯示原理及驅(qū)動方式 LED 顯示屏顯示原理 LED 顯示屏的 顯示 原理與 LED8 段數(shù)碼管的顯示原理類似， 有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種。 C. 按 LED顯示屏 的使用環(huán)境分類，可分為： 室內(nèi)顯示 屏 、半戶外顯示屏、戶外顯示屏。組模屏由數(shù)個 8 8點(diǎn)陣大小 LED模塊組成，每塊 LED模塊 由 64個發(fā)光點(diǎn)組成， 封裝在同一塊基板上。主要完成了以下工作內(nèi)容： A. 在明確雙色 LED點(diǎn)陣顯示屏的控制系統(tǒng)功能要求的前提下完成了系統(tǒng)的方案設(shè)計； B. 根據(jù)雙色 LED點(diǎn)陣顯示屏的控制系統(tǒng)工作原理，設(shè)計出以 ATmega16單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)原理圖； C. 在原理圖的基礎(chǔ)上完成了印制電路板的設(shè)計，并完成系統(tǒng)硬件的研制和調(diào)試； D. 根據(jù)硬件以及系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行軟件的設(shè)計：包括上位機(jī)軟件和單片機(jī)軟件的設(shè)計的編程與實(shí)現(xiàn)； E. 進(jìn)行了 系統(tǒng) 的軟、硬件 聯(lián)合調(diào)試 ，并 與 192 32（雙色）點(diǎn)陣 實(shí)物進(jìn)行連接完成了系統(tǒng)的現(xiàn)場測試。由于基于 MCS51 單片機(jī)的運(yùn)行速度較慢，所以 LED 顯示 屏顯示文字的個數(shù)很受限制。LED 顯示屏控制系統(tǒng) 的設(shè)計也成為 LED 顯示行業(yè)最主要的發(fā)展內(nèi)容和方向?？梢噪S時通過 232通訊連接 PC機(jī) 修改顯示內(nèi)容，也可以通過 SD卡更新顯示內(nèi)容。現(xiàn)在越來越多的街頭店鋪也開始使用 LED電子條屏來顯示 產(chǎn)品信息、促銷活動，可以說 LED電子顯示屏的市場前景十分廣闊。 lattice。同步顯示 控制 器 主要針對的是全彩的大型 LED 顯示屏或需顯示大量實(shí)時信息的文字屏，比較高端，方案也較為固定，通常采用 ARM+FPGA 的設(shè)計方案，或是采用專業(yè)的顯示驅(qū)動芯片。市場需要具有更高性價的 LED 顯示屏控制器 。 LED 顯示屏是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的亮度的方式，來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。但由于成本過高，以及亮度有限等問題，目前的大屏系統(tǒng)中已很少使用。半戶外屏一般以單紅條屏為主，主要置于商鋪屋檐下，用于顯示店鋪信息。 動態(tài)顯示 采用 了掃描驅(qū)動 的 方式 工作， 由峰值較大的窄脈沖電壓 驅(qū)動 ，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進(jìn)行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數(shù)據(jù)信號，反復(fù)循環(huán)以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。 這時 若在某行線上施加高電平（用 “1”表示），在某列線上施加低電平（用 “0”表示）。 圖 22 用動態(tài)掃描顯示字符 “ B” 的過程 在 實(shí)際運(yùn)用的時候，行線通常不止 8 位， 如 果 N 行 LED 共用一列數(shù)據(jù)， 就稱其為 1/N 掃描方式， N 常取 16。 而并行控制驅(qū)動方式就是顯示的數(shù)據(jù)是通過并行方式送入點(diǎn)（列）驅(qū)動電路的，每送入一個字節(jié)就完成一個模塊的單行數(shù)據(jù)輸入。本課題所使用的 LED 顯示屏就是采用4953+74HC595 作為驅(qū)動，電路如 圖 23 所示。最初這種接口為 20 針插座，現(xiàn)在都改為 16 針插座，一鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 7 般有 08 接口和 12 接口，具體引腳定義如 圖 25 所示。 LED 單元板上的元件及其電路介紹 LED 單元板 除了 LED 模塊外，還有印刷電路板和電子元件兩部分。市場上的 LED 顯示屏控制器也是種類繁多，采用了很多種不同的設(shè)計方案。 ARM+FPGA 時鐘頻率高，運(yùn)算速度快，性能優(yōu)越，其兩者組合更是功能強(qiáng)大，除了海量存儲技術(shù)，無線更新技術(shù)外，還能實(shí)時地顯示視頻信號。因此， 8051 控制的條屏 通常 用于顯示內(nèi)容簡單，不需要經(jīng)常更改顯示內(nèi)容的場合。與 MCS51和 PIC系列 單片機(jī)相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，具體到本課題上主要體現(xiàn)在以下幾個方面 ： A. 在相同的系統(tǒng)時鐘下 AVR運(yùn)行速度最快 ； B. 所有 AVR單片機(jī)的 Flash、 E2PROM儲存器都可以反復(fù)燒寫、支持在 ISP在線編 程， 開發(fā)環(huán)境構(gòu)建 費(fèi)用 很低 ； C. 片內(nèi)集成多種頻率的 RC振蕩器、上電自動復(fù)位、看門狗、啟動延時等功鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 11 能，使得電路設(shè)計變得非常簡單； D. 每個 I/O口作輸出時都可以輸出很強(qiáng)的高 、低電平，作輸入時 I/O口可以配置成高阻抗或使用內(nèi)部上拉電阻的不同工作方式，以滿足不同輸入場合的 需要。 圖 32 ATmega16 引腳圖 ATMEL 公司共推出 tinyAVR、低功耗 AVR 和 megaAVR 3 個系列，分別對應(yīng)低、中、高 3 個不同檔次的數(shù)十種型號產(chǎn)品。 片內(nèi)含獨(dú)立振蕩器的實(shí)時時鐘 RTC， 4 路 PWM 通道 ， 8 路 10 位 ADC， 面向字節(jié)的兩線接口TWI（兼容 I2C 硬件接口） 。 一般的筆記本沒有串口，可以使用 USB 轉(zhuǎn)串口線來擴(kuò)展。 RS485常用于工業(yè)現(xiàn)場，與 RS232相比，雖然抗干擾能力以及傳輸距離都有優(yōu)勢，但轉(zhuǎn)換電路相對復(fù)雜，成本較高。由于其對硬件要求較高，以及需要控制卡上集成有字庫，所以本課題不考慮 無線 通訊功能。 基于 AVR 單片機(jī)的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 14 ATmega16 單片機(jī) 雖然內(nèi)部有 16K 的 FLASH 存儲器，支持 IAP 方式，卻無法在系統(tǒng)運(yùn)行時靈活的修改 FLASH 中的數(shù)據(jù)，內(nèi)部的 E2PROM 只有 512B,也無法滿足數(shù)據(jù)的存儲。數(shù)據(jù)輸出方案合理，數(shù)據(jù)輸出速度就快，在數(shù)據(jù)組織處理難度不增加的前提下，能控制的點(diǎn)陣大小就越大，本課題要求控制卡至少可以驅(qū)動 19232（雙色）點(diǎn)陣。 方案二：控制器串行輸出方式 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 15 即單片機(jī)串行送出一個字節(jié)數(shù)據(jù)中的一位，因?yàn)橛兴臈l數(shù) 據(jù)線，所以需循環(huán)四次才能完成一位數(shù)據(jù)的輸出。另一種沒有字庫芯片而是依靠上位機(jī)軟件在 PC 機(jī)端將漢字字模處理好后發(fā)給控制器顯示。綜合成本和功能等方面的因素，本課題最終采用了第二種 漢字字模生成方案。程序員不必十分熟悉處理器的運(yùn)算過程。而 AVR 的 C 語言 ，也有許多不同的開發(fā)工具 ， 如ICCAVR、 CodeVersion、 IAR、 GCC 等等。而 VB 是采用可視化的面向?qū)ο?、采用事?驅(qū)動 方式的結(jié)構(gòu)化高級程序 設(shè)計語言，為用戶提供功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用 軟件 系統(tǒng)，可以讓用戶編寫、編輯以及測試 Windows 應(yīng)用程序。考慮到開發(fā)的高效性 ，本課題的硬件系統(tǒng) 設(shè)計 選擇 Altium 作為 開發(fā)環(huán)境。 A T m e g a 1 6 最小 系 統(tǒng)7 4 H C 1 6 5 并 轉(zhuǎn) 串 數(shù)據(jù) 輸 出 電 路M A X 2 3 2 通 訊 電路S D 卡 接 口獨(dú) 立 按 鍵7 4 H C 2 4 5 信 號 增 強(qiáng)電 路0 8 、 1 2接 口數(shù) 據(jù)信 號 圖 41 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 框圖 系統(tǒng)硬件各功能模塊設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 AVR 單片機(jī)內(nèi)部就含有 1/2/4/8MHz 經(jīng)過標(biāo)定，可校正的 RC 振蕩器以及上電復(fù)位電路，所以 AVR 單片機(jī)完全可以不接任何外部電路，直接上電工作。所以在連接外部晶 振電路的時候一是要選擇合適的匹配電容，晶振體盡量離時鐘輸入端近， 二 是晶振體要可靠接地。 RS232C 規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器、單片機(jī)的邏輯電平是不同的，邏輯 1(MARK) ＝ 3V～ 15V，邏輯 0(SPACE) ＝ ＋ 3～＋ 15V。 串行 ISP 編程方式 需使用 PB PB PB7 三個 I/O 口，將 AVR 的 PB PBPB7 與編程下載口連接，在編程狀態(tài)時這 3 個引腳用于下載操作。 其中 AVR 單片機(jī) 的外部復(fù)位 為低電平復(fù)位，所以當(dāng)按下復(fù)位按鍵 S1 后 ATmega16 RESET 端接地，實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位。也可以通過 SD 卡，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對顯示屏顯示信息的修改。使用多層印制線路板的自動布線，可實(shí)現(xiàn)高密度 PCB 的 100％布通率。 上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境選擇 雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)實(shí)際包括兩部分，一是 LED 顯示 屏控制 器 ， 二 是配套的上位機(jī)軟件。最常用的開發(fā)環(huán)境是 AVR Studio，它包括 了 AVR Assembler 編譯器、 AVR Studio 調(diào)試功能、 AVR Prog 串行、并行下載功能和 JTAG ICE 仿真等功能，有工程建立向?qū)?，支持出產(chǎn)的所有 AVR單片機(jī)，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與編