【文章內(nèi)容簡介】 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)三部分組成。單片機通過通信部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，執(zhí)行顯示指令并將顯示代碼處理后控制顯示部分的顯示內(nèi)容和顯示方式。 圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 顯示屏主控制器 控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為發(fā)送數(shù)據(jù)和控制指令處理后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計方法有單片機、 DSP、及 EDA 技術(shù)。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。它有很強的接 口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器 (MCU)。單片機品種齊全 ,型號多樣 CPU 從 8，16， 32到 64位，多采用 RISC 技術(shù)，片上 I/O 非常豐富，有的單片機集成有 A/ D，“ 看門狗”， PWM，顯示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機還具有低電壓和低功耗的特點。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展， NMOS 工藝單片機被 CMOS 代替，并開始向 HMOS 過渡。供電電壓由 5V 降到 3V， 2V甚至到 1V，工作電流由 mA 降至μ A ，這在便攜式產(chǎn)品中大有 用武之地。 2. DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號處理器。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，重復運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域， DSP 具有修正的哈佛結(jié)構(gòu)，多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時進行，以及流水線技術(shù)，這使得速度有了較大的提高。 DSP 區(qū)別于一般微通信部分 控制部分 顯示部分 處理器的另一重要標志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現(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。 3. EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計自動化，它是以計算機為工具，在 EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言 HDL 完成的設(shè)計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計者只需用 HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述，借助 EDA 工具就可得到設(shè)計結(jié)果，將 編譯后的代碼下載到目標芯片就可在硬件上實現(xiàn)。由于 FPGA/CPLD 可以通過軟件編程對該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，修改軟件程序就相當于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設(shè)計方案，而且可以多個人分工并行工作這樣便縮短了開發(fā)周期和上市時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機。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，F(xiàn)PGA/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。 三種設(shè)計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學者進行學習和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機首推 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)勢常作為單片機學習的教材。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（復位時，各 I/O 口均置高電平）。當該腳作輸出腳使用時，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)計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。計算機數(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 并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。 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，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進行的，而計 算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當計算機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，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)輸入計算機中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。單由軟件實現(xiàn)會增加CPU 負擔，降低其利用率，故目前常采用硬件實現(xiàn)。通用的通用異步接收 /發(fā)送器，簡稱 UART（ Universal Asynchromous Receeiver Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。在單片機芯片中， UART 已經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個串行口。 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。 硬件設(shè)計方案 最終方案如圖 22所示，以單片機機作為核心控制器件存儲和處理顯示內(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系統(tǒng)，單片機根據(jù)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴展后驅(qū)動 16塊 8 8LED 點陣模塊構(gòu)成的 16 64的 LED 點陣顯示屏。題目將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設(shè)計。 圖 22 硬件設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件方案 軟件的設(shè)計除了滿足設(shè)計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計目標和硬件總體結(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，通信程序三個主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖 23所示。 串行通信 單片機 譯碼電路 顯示驅(qū)動電路 16 64LED顯示屏 圖 23 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。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語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的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí) 行。 單片機編程語言 現(xiàn)在主要運用的單片機編程語言為匯編語言和 C 語言。兩種語言相比較各有優(yōu)點。 匯編語言 (Assembly Language)是面向機器的程序設(shè)計語言，是一種功能很強的程序設(shè)計語言，也是利用計算機所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點，但在編寫復雜程序時具有明顯的局限性，匯編語言依賴于具體的機型，不能通用，也不能在不同機型之間移植。 C 語言是一種源于編寫 UNIX 操作系統(tǒng)的語言，它是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。 C 語言結(jié)構(gòu)是以括號 { }而不是子和 特殊符號的語言。 C 可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點：對單片機的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對 51的存儲器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(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)試時間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標準子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術(shù)。 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。 基于以上理由決定采用 C 語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言 。 靜態(tài)顯示程序 主程序 控制程序 特效顯示程序 通信程序 系統(tǒng)軟件編譯器介紹 C 語言編寫的程序并不能被單片機直接執(zhí)行還需要編譯為單片機可執(zhí)行的機器語言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，編譯器必不可少。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。目前在單片機開發(fā)中普遍都是使用 KEIL C51來進行編譯。 第三章 硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計 本設(shè)計采用 STC89S52RC 單片機為核心控制器件，用 16塊 8*8點陣相連組成 16*64點陣屏，作為顯示部分。用 74LS154作為行驅(qū)動控制，控制點陣屏的行控制信號，有十六根數(shù)據(jù)線接在點陣屏的十六個行控制信號端上，用 74HC595作為列驅(qū)動控制，控制點陣屏的列控制信號，同樣有三根數(shù)據(jù)線接在點陣屏的十六個列控制信號端。系統(tǒng)方框圖如圖 31所示。 圖 31 系統(tǒng)方框圖 單片機系統(tǒng)設(shè)計 STC89S52RC 簡介 本設(shè)計使 用的是 STC89S52RC 單片機，原因是此款單片機具有眾多優(yōu)點。 加密性強，難解密 超強抗干擾 超低功耗 掉電模式： A 空閑模式： 2mA 正常工作模式： 4mA～ 7mA 提供 STCISP 在線編輯系統(tǒng)，無需編輯器，無需仿真器，可省去購買編輯器，仿真器的昂貴資金，適合大眾使用 內(nèi)置看門狗 STC89S52RC 的基本結(jié)構(gòu)與 8051相同，但是比傳統(tǒng)的 8051單片機擁有更多的內(nèi)部Flash，最高可達 64KB。片內(nèi) SRAM 容量同樣是非常吸引的數(shù)字，最高可擁有 1280Byte的 SRAM。而且還內(nèi)置 EEPROM 存儲器、 AD 轉(zhuǎn)換等功能。另外它還可以用串口直接仿真程序，不需要另外加用仿真器或者下載線。 單 片 機 列驅(qū)動 行驅(qū)動 點陣模塊 時鐘電路 復位電路 STC89S52RC 單片機引腳功能 VCC： 接電源正極，一般輸入電壓為 5V。 GND：接 電源 地 端 。 P0口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口，每 個 腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P1口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上 拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口： P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個TTL門電流，當 P2口被寫 “ 1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的 內(nèi)容 。 P3口： P3口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL門電流。當 P3口寫入 “ 1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（ 計數(shù) 器 0外部輸入） T1（ 計數(shù) 器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀 選通） RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用 。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 F