【正文】 本課題在設(shè)計(jì)過程中主要采用了 采用串行 ISP 編程方式。控制的對(duì)象是雙色19232LED 點(diǎn)陣大小的顯示屏。所以 ， 本課題最終采用 AVR Studio+GCC 的開發(fā)環(huán)境，使用 C 語言來 進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)。 單片機(jī)軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境選擇 單片 機(jī)軟件開發(fā)語言的選擇 在單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)常用的開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言兩大類。對(duì) I/O 口資源也沒有浪費(fèi)，需要幾條數(shù)據(jù)線就用幾個(gè) I/O 口，但由于是普通 I/O 口串行輸出，而且需運(yùn)用大量移位指令，所以數(shù)據(jù)輸出速度慢，達(dá)不到課題的要求，也不采用。 最后在比較了擴(kuò)展外部 FLASH 存儲(chǔ)器，以及外部 E2PROM 等方案的基礎(chǔ)上，本課題 選擇了更為靈活的 SD 卡存儲(chǔ)方案。 方案三： 無線 通訊 要實(shí)現(xiàn) 無線通訊意味著要在控制卡中添加無線模塊，以及要制作一個(gè)連接在PC 機(jī)上的無線收發(fā)終端，成本以及設(shè)計(jì)難度就必然增加。 此外， ATmega16 單片機(jī) 共有 32 個(gè)可編程的 I/O 口（腳） ， 芯片封裝形式有40 引腳的 PDIP、 44 引腳的 TQFP 和 44 引腳的 MLF 封裝。這些特點(diǎn)和性能完全符合課題的要求。而對(duì)于 LED 條屏， ARM+FPGA 作為控制器 則是 大材小用，所以一般采用單片機(jī)作為 LED 條屏控制 器 的控制 芯片 。其電路結(jié)構(gòu)圖如 圖 26 所示。對(duì)于 1/16 掃描方式的 LED 顯示屏，一般采用兩片74HC138 構(gòu)成四 十六譯碼器的方式或直接使用 74HC154 芯片。 N 越小，掃描的速度越快，顯示越亮，閃爍越不明顯。將連續(xù)的 行 畫面高速的循環(huán)顯示，只要行掃 描 高于 55Hz(約 18ms)，人眼看起來就是一個(gè)完整的，相對(duì)靜止的畫面。由于其生產(chǎn)便捷，成本低廉，顯示亮度高，點(diǎn)陣間距可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，近幾年得到了快速的發(fā)展，尤其是在單紅 LED條屏，以及偽彩色 LED顯示屏中的到了大量的應(yīng)用。該控制 器 采用ATmega16+74HC165 的解決方案，至少可以實(shí)現(xiàn) 192 32（雙色）點(diǎn)陣的控制，基于 AVR 單片機(jī)的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 可以直接驅(qū)動(dòng)市面上長(zhǎng) 寬 單紅 LED 電子條屏。而正是由于 LED 電子顯示屏的迅速普及， LED 電子顯示屏產(chǎn)業(yè) 得到了 迅速 發(fā)展 ，顯示屏制造工藝正趨于成熟 ， LED 電子顯示 屏控制技術(shù)日趨完善 。該系統(tǒng)可以和市面上標(biāo)準(zhǔn) LED電子顯示屏接口（ 0 12接口 ） 連接，實(shí)現(xiàn)至少 19232（雙色）點(diǎn)陣大小的控制。不同的 LED 電子條屏控制 器 根據(jù)不同的需要，還可以通過電纜、無線、手機(jī)短信、 SD 卡等多種方式對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行修改和控制。 本課題針對(duì)的是192 32點(diǎn)陣大小的雙色 LED條幅顯示屏（下稱 LED條屏），可以顯示紅、綠、黃三種顏色的文字、圖形。 發(fā)光點(diǎn)直徑 一般為基于 AVR 單片機(jī)的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 10mm26mm，為保證亮度，常采用 1/4掃描或 1/8掃描方式控制。再如 Y0 為 1， X0 到 X7 均為 0，則最上面一行 8 個(gè) LED 全點(diǎn)亮。所以下 面具體介紹下串行控制驅(qū)動(dòng)方式。 G G2 為綠色 LED 列數(shù)據(jù)線。該控制 器 采 用 ATmega16+74HC165 的解決方案，配合 相應(yīng)的上位機(jī)軟件，可以滿足以下要求： A. 可以至少實(shí)現(xiàn) 192 32（雙色）點(diǎn)陣的控制，即 控制卡接上 雙色 19232 LED 顯示屏 后可以正常顯示文字和簡(jiǎn)單圖形； B. 可以驅(qū)動(dòng)顯示屏靜態(tài)顯示 8 16 1 32 32 的英文字符、中文漢字和簡(jiǎn)單圖形， 16 16 大小漢字可以顯示兩排，每排 12 個(gè)； C. 可以驅(qū)動(dòng)顯示屏動(dòng)態(tài)顯示文字和簡(jiǎn)單圖形，實(shí)現(xiàn)文字的水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)、上下追逐、閃爍效果等； D. 可以驅(qū)動(dòng)顯示屏用紅、黃、綠三種顏色顯示文字和簡(jiǎn)單圖形； E. 可以通過串口和 PC 機(jī)相連，配 合上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏顯示信息的修改。作 為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果 ， 同時(shí) PIC 單片機(jī)內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設(shè)計(jì)難度，同時(shí)降低了硬件成本。 ATmega16 引腳如圖基于 AVR 單片機(jī)的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 32 所示。因此不適合做遠(yuǎn)距離通信 。 存儲(chǔ)方案選擇 在 LED 顯示屏控制系統(tǒng)中，顯示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題，是比較重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 雙 色 9 6 3 2 L E D顯 示 屏 單 元 板雙 色 9 6 3 2 L E D顯 示 屏 單 元 板單 片 機(jī)D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7ABCDO ER C K S C KG 1R 1G 2R 2 圖 33 控制器并行數(shù)據(jù)輸出方式 這種方式數(shù)據(jù)輸出速度快，控制簡(jiǎn)單，但不符合一般的數(shù)據(jù)組織方式，需對(duì)顯示 信息進(jìn)行特殊的格式處理。一般用于具有短信控制的功能的 LED 顯示屏控制器上。 單片 機(jī) 集成開發(fā)環(huán)境的選擇 AVR 系列單片機(jī) 有多達(dá)十余種的開發(fā)環(huán)境，如 AVR Studio、 ICC AVR、 IAR AVR、 Code Vision AVR、 GCCAVR、 ATmanAVR、 FastAVR 等，大部分都支持匯編與 C 語言，每一種都有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足之處。 它包含了電 路 原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、多層印刷電路板設(shè)計(jì)（包含印刷電路板自動(dòng)布線）、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server（客戶 /服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)軟件的文件格式，如 ORCAD、 PSPICE、 EXCEL 等。 Y116M30pFC2S1Key_RST30pFC1PB0 (XCK/T0)40PB1 (T1)41PB2 (AIN0/INT2)42PB3 (AIN1/OC0)43PB4 (SS)44PB5 (MOSI)1PB6 (MISO)2PB7 (SCK)3RESET4PD0 (RXD)9PD1 (TXD)10PD2 (INT0)11PD3 (INT1)12PD4 (OC1B)13PD5 (OC1A)14PD6 (ICP)15PD7 (OC2)16XTAL27XTAL18GND6PC0 (SCL)19PC1 (SDA)20PC2 (TCK)21PC3 (TMS)22PC4 (TDO)23PC5 (TDI)24PC6 (TOSC1)25PC7 (TOSC2)26AREF29AVCC27GND28PA7 (ADC7)30PA6 (ADC6)31PA5 (ADC5)32PA4 (ADC4)33PA3 (ADC3)34PA2 (ADC2)35PA1 (ADC1)36PA0 (ADC0)37VCC5VCC17GND18VCC38GND39ATmega16GNDGND+5GNDR112345678910P1 ISPGNDVCC 圖 42 單片機(jī)最 小系統(tǒng)電路原理圖 ATmega16 共有五個(gè)復(fù)位源， 分別為 上電復(fù)位 、 外部復(fù)位 、 掉電檢測(cè)（ BOD）復(fù)位 、 看門狗復(fù)位 、 JTAG AVR 復(fù)位。因此，單片機(jī)系統(tǒng)要和 PC 機(jī) 的 RS232C 接口進(jìn)行通信，就必須把單片機(jī)的信號(hào)電平（ TTL 電平）轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的 RS232C 電平，或。本課題由于對(duì)單片機(jī)運(yùn)行速度的要求較高， AVR 單片機(jī)內(nèi)部 RC 振蕩器頻率達(dá)不到要求，所以需外接 16MHz 晶振，同時(shí)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行異常狀態(tài)下的復(fù)位問題，鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 2020） 19 還需增添手動(dòng)復(fù)位電路。考慮到三種語言中我只接觸過 VB，而且 VB 開發(fā)語言入門較為容易，所以最終選擇 Visual Basic 作為本課題的上位機(jī)開發(fā)環(huán)境。 而且 很多 微控 制器 支持 C 編譯器，這意味著對(duì)新的 微控制器 也能很快上手，而不必知道處理器的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu) ，有更廣的通用性。兩種方法各有優(yōu)劣。一般的數(shù)據(jù)輸出方案如下： 方案一：控制器并行輸出方式 即單片機(jī)同時(shí)并行八位送出一個(gè)數(shù)據(jù)。 根據(jù)上述的方 案比較 ， 實(shí)際情況分析 以 及系統(tǒng)的功能需求 ， 考慮到本 課題 的上 位機(jī)和 單片機(jī)進(jìn)行一次通信時(shí)的數(shù)據(jù)量不大 ，通訊距離較短， 而且對(duì)通信的速度及可靠性要求 不高 。 RS232C 規(guī)定最大的負(fù)載電容為 2500pF，這 個(gè)電容限制了傳輸距離和傳輸速率，由于 RS232C 的發(fā)送器和接收器之間具有公共信號(hào)地（ GND），屬于鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 2020） 13 非平衡電壓型傳輸電路，不使用差分信號(hào)傳輸，因此不具備抗共模干擾的能力，共模噪聲會(huì)耦合到信號(hào)中?？紤]到本課題對(duì)控制器性能的要求較高，所以主要在 megaAVR 的系列中進(jìn)行選型。 方案二： PIC 單片機(jī) 使用 PIC 單片機(jī)為 LED 條屏控制 器 的控制 芯片 。這些方案中要么是售價(jià)便宜但控制顯示的字?jǐn)?shù)有限，要么是顯示控制性能很好，但售價(jià)過高，而性價(jià)比高的控制 器 并不多。 1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1612 接口1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1608 接口ABCDG1G2R1R20ERCKSCKOE ABCDSCKRCKR1G1GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND 圖 25 0 12 接口示意圖 其中 A、 B、 C、 D 為行掃描信號(hào)線，決定 16 行中的哪一行點(diǎn)亮。集成專用芯片驅(qū)動(dòng)使用了專門的控制芯片，類似液晶屏上的控制器，使用更為簡(jiǎn)單高效。則行線和列線的交叉點(diǎn)處的 LED 就會(huì)有電流流過而發(fā)光。半戶外屏對(duì)防水、防風(fēng)、防腐蝕有一定的要求，顯示亮度要求也較高 ，一般采用 1/16掃描或 1/8掃描。 它可以按以下幾種不同方式進(jìn)行分類： A. 按 LED顯示屏 的顯示內(nèi)容 分 類，可分 為 ： 圖文顯示屏和條幅顯示屏 。異步 顯示控制 器 主要針對(duì)的是以顯示文字為主的小尺寸顯示屏，尤以能顯示兩行漢字的 LED 電子條屏為主 ， 其主要根據(jù) LED 條屏的長(zhǎng)度 和 用戶的不同需求來定， 控制 比較靈活。 介紹了一種 針對(duì)雙色 LED顯示屏 的 異步控制系統(tǒng)。所以 LED 顯示屏的顯示效果主要就取決于顯示屏控制器的設(shè)計(jì)。采用了 Atmel 公司推出的高性能 AVR 系列單片機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)高性價(jià)比的雙色 LED 點(diǎn)陣顯示屏的控制系統(tǒng)。本課題中使用的控制對(duì)象是組模屏，由兩塊雙色 96 32點(diǎn)陣模塊級(jí)聯(lián)而成。下面以 88 單色 LED 模塊為例，說明一下 動(dòng)態(tài)顯示的控制方法和過程 。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的 LED 顯示屏， 一般室內(nèi)屏采用 1/16掃描方式 ， 戶外屏采用 1/4 掃描方式。考慮到每個(gè)信號(hào)的傳輸延遲，為保證控制時(shí)序的正確運(yùn)行，一般在信號(hào)接口后面接 74HC245 芯片，以增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。為了防止數(shù)據(jù)線過長(zhǎng)，信號(hào)衰減，在 08 接口后面加入一片增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力的芯片 74HC245。 方案一： 51 單片機(jī) 使用傳統(tǒng) 的 8051 單片機(jī)為 LED 條屏控制 器 的控制 芯片 。 除此之外 ， 一些增 強(qiáng)型 MCS51 單片的性能如 C8051F 雖然也滿足了課題要求，但其價(jià)格較貴，性價(jià)比并不高 ， 而且其 內(nèi)核 依然是 MCS51 單片機(jī) 。 通訊方案選擇 LED 顯示屏控制系統(tǒng)是一個(gè)交互的系統(tǒng) ，用戶可以隨時(shí)通過 PC 機(jī)更改顯示屏上顯示的信息。所以一般意義上的無線通訊在 LED 顯示屏控制系統(tǒng)中運(yùn)用很少。實(shí)驗(yàn)證明控制系統(tǒng)對(duì) SD 卡的讀寫速度完全滿足顯示的需求，同時(shí)使用 SD 卡還可以實(shí)現(xiàn)更為靈活實(shí)用的顯示數(shù)據(jù)脫機(jī)修改功能。運(yùn)用 74HC165 并入串出芯片，即保證了數(shù)據(jù)輸出 的速度，又簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的組織處理。它提供 了 高效代碼、結(jié)構(gòu)化編程元素及豐富的運(yùn)算符。 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。也可以通過 SD 卡，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏顯示信息的修改。 串行 ISP 編程方式 需使用 PB PB PB7 三個(gè) I/O 口，將 AVR 的 PB PBPB7 與編程下載口連接，在編程狀態(tài)時(shí)這 3 個(gè)引腳用于下載操作。所以在連接外部晶 振電路的時(shí)候一是要選擇合適的匹配電容，晶振體盡量離時(shí)鐘輸入端近， 二 是晶振體要可靠接地。考慮到開發(fā)的高效性 ，本課題的硬件系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 選擇 Altium 作為 開發(fā)環(huán)境。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。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。 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)