【正文】 X232的內部結構框圖如圖所示： MAX232的內部結構框圖 顯示方案的確定從理論上說，不論顯示圖形還使顯示文字，只要控制與組成的這些圖形或文字的各個點所在位置相應的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結果，這種同時控制各個發(fā)光點亮滅的方法稱為靜態(tài)驅動顯示方式。1616的點陣共有256個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有那么多端口，如果我們采用鎖存器來擴展端口，按8位的鎖存器來計算，1616的點陣需要256/8＝32個鎖存器。這個數(shù)字很龐大，因為我們僅僅使1616的點陣，在實際的應用中顯示屏往往要大得多；這樣在鎖存器上花的成本將使很龐大的數(shù)字。因此在實際的應用在應用中的顯示屏幾乎不采用這種設計，而采用另外一種稱為動態(tài)掃描的的顯示方法。動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅動電路就可以實現(xiàn)多行（比如16行）地同名列共用一套驅動器。具體就1616地點陣來說，把所有地同一列地發(fā)光二極管的陰極連接在一起（共陽的接法），先送出對應第1行發(fā)光二極管的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行使其燃亮一定時間，然后熄滅；再送出第2行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；……第16行之后，又重新點亮第一行，反復輪回。當這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的文字或圖形了。采用掃描方式進行顯示時，每行又一個驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按每位8個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把每一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應的列驅動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅動器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行方式或串行方式。顯然采用并行方式時，從控制電路到列驅動器的線路數(shù)量大，相應的硬件數(shù)目多。當列數(shù)很多時，并行傳輸?shù)姆桨笗r不可取的。采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可只采用一根信號線，數(shù)據(jù)按順序一位一位傳往列驅動器，只有當一行的各列數(shù)據(jù)都已傳送到位之后，這一行的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的情況下，留給行掃描的時間就太少了，以至影響到LED的亮度。解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示時間矛盾的問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行列的數(shù)據(jù)。為了達到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有鎖存功能。經過上述分析，可以歸納出列驅動電路應具備的主要功能。對于列數(shù)據(jù)準備來說，它應能實現(xiàn)傳入并出的移位功能；對于列顯示數(shù)據(jù)來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。 行顯示驅動的設計采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。由行譯碼器給出的行選通信號，從第一行開始，按順序依次對個行進行掃描。根據(jù)各列鎖存的數(shù)據(jù)，確定相應的列驅動器是否將該列與電源的另一端接通，接通的列，就在該行該列點亮相應 LED，未接通的列所對應的 LED 熄滅。當一行的掃描持續(xù)時間結束后，下一行又以同樣的方法進行顯示。全部各行都掃描一遍后，又從第一行開始進行下一個周期的掃描。只要一個掃描周期時間比人眼 1/25 秒的暫留時間短，就感覺不出閃爍。行選通信號來源于單片機按照時序要求所給出的二進制行號，為在一行顯示時間內保持行號的穩(wěn)定，行號采用譯碼器方案，保證同一時刻選通一條行線，達到顯示的穩(wěn)定性。下圖為行掃描電路的結構框圖。 行掃描電路結構框圖其中譯碼電路采用74LS138,用兩個74LS138轉換成416的譯碼器，當選通端（GG2）均為低電平時，可將地址端（ABCD）的二進制編碼在一個對應的輸出端，以低電平譯出。當單片機給出掃描的行號時，該行經過74LS138譯碼后輸出為低電平。行驅動采用的是三極管PNP8550作為放大電路，當選中了某一行，便將該行選通，對該行進行掃描。8550采用共集電級接法，為電壓跟隨器，對電流進行放大，由于發(fā)光二極管的電流大約是25mA，每一行全部點亮的時候，所大約為1A左右的電流，為保證亮度，故采用兩級放大的形式，增大驅動能力。 列驅動電路的設計顯示數(shù)據(jù)存按 8bit 一個字節(jié)的形式順序排放，顯示時把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應的列驅動器中。系統(tǒng)采用串行傳輸?shù)姆椒?，首先，單片機從存儲器中讀出 8bit 并行數(shù)據(jù)進行并串轉換，按順序一位一位的輸出給列驅動器。與此同時，列驅動器中每一列都把當前數(shù)據(jù)傳向后一列，并從前一列接收新數(shù)據(jù)，當一行的各列數(shù)據(jù)都已經傳輸?shù)轿唬@一行的各列才能并行的進行顯示。硬件具體采用移位寄存器，其需要具有一個 8bit 串入并出的移位寄存器和一個 8bit 輸出鎖存器結構，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以顯示本行數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達到重疊處理的目的。列驅動可以采用串入并出8位移位寄存器74LS164，但是74LA164是只是一個8位串入并出移位寄存器，但沒有并行輸出控制端，在串行輸入過程中，其輸出狀態(tài)會不斷變化，因此在74LS164的輸出端應加接輸出三態(tài)門控制，即74LS273，以便保證串行輸入結束后再輸出數(shù)據(jù)。74LS273是帶清除端的8D觸發(fā)器，只有清除端(CLR)為高電平時才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，在上升沿鎖存。因此74ALS273的CLR(清除)端上拉接+5V電源，這時，當CLK為低電平時，鎖存器的輸出(Q8－Ql)狀態(tài)和輸入端(D8－Dl )狀態(tài)相同。當CLK端從低電平上升到高電平(上生沿)時，輸入端(D8Dl )的數(shù)據(jù)鎖入Q8Ql的8位鎖存器中。該驅動方式所用的器件較多，在搭接電路的時候，由于采用的是萬能板手工焊接，電路的節(jié)點增多，加大了電路的焊接難度，并且會使電路的穩(wěn)定性降低。另外，由于器件的增多，使系統(tǒng)的成本增加，故應該尋找更加簡單實用的電路設計方式。74HC595的輸入側由8個串行移位寄存器，每個移位寄存器的輸出都連接一個輸出鎖存器?？梢詫崿F(xiàn)74LS164和74LS273共同實現(xiàn)的功能，器件少，可以使電路穩(wěn)定，減少了工作量，并且74HC595的價格和74LS164差不多，可以節(jié)省成本。74HC595的外形及內部結構如圖所示。 74HC595引腳圖及內部結構引腳SI是串行數(shù)據(jù)的輸出端，引腳SCK是移位寄存器的移位時鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將SI的下一個數(shù)據(jù)打入最低位。移位后的各位信號出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入段。RCK是輸出鎖存器的打入信號，其上升沿將移位寄存器的輸出打入到輸出鎖存器。引腳G是三態(tài)門的開放信號，只有當其為低時鎖存器的輸出才開放，否則為高阻態(tài)。SCLR信號時移位寄存器的清零輸入端，當其為低時移位寄存器的輸出全為0。由于SCK和RCK兩個信號時相互獨立的，所以能過做到的輸入串行移位與輸出鎖存互不干擾。芯片的輸出端為QA~QH,最高位QH可作為多片74HC595級聯(lián)應用時，像上一級的級聯(lián)輸出。但因QH受輸出鎖存器打入控制，所以還從輸出鎖存器前引出了QH’，作為與移位寄存器完全同步的級聯(lián)輸出。 74HC595時序圖從74HC595的時序圖可以分析，對于列數(shù)據(jù)準備來說，其能夠實現(xiàn)串入并出的移位功能，對于列數(shù)據(jù)的顯示來說，具有并行鎖存的功能。這樣本行已經準備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。列驅動電路如下圖所示：圖 列驅動電路由 74HC595 組成的列驅動器中，第一片列驅動器的 SER 端連接單片機輸出的串行列顯示數(shù)據(jù)，其 Q7 端連接下一片的 SER 端，各片相應的SRCLK、SRCLR、RCLK 端分別并聯(lián)，作為統(tǒng)一的串行數(shù)據(jù)移位信號、串行數(shù)據(jù)清除信號和輸出鎖存器打入信號。這樣的結構，使得串行移位能把顯示數(shù)據(jù)依次輸入到相應移位寄存器輸出端，移位過程結束后，控制器輸出 RCLK 打入信號，各列顯示數(shù)據(jù)一起打入相應的輸出鎖存器，通過選通相應的行，該行的各列就按照顯示數(shù)據(jù)的要求進行顯示。在每個CLK的上升邊沿74HC595 會將DAT 的信號鎖存在8 個時鐘后所有的數(shù)據(jù)都已被鎖存這時STB的上升則將DA至DH送到QA至QH等8 個輸出腳當2 個74HC595 是串接在一起時則送入16 個時鐘及16 個數(shù)據(jù)最后送入STB 鎖存以此類推所有的74HC595都可以串接的方式得到更多的輸出1024 個LED 的矩陣則是送入808 個時鐘及數(shù)據(jù)以8 個為單位則需要調用74HC595 的發(fā)送函數(shù)8 次再鎖存一次其中有32 個數(shù)據(jù)是傳送LED 正極信號的這32 個里面而一次只有一個位是0 的其余都為1調整這些0為1的位置可以得到掃描的次序一般是從左到右掃描的令外32 個數(shù)據(jù)是傳送LED 負極信號的調整其位置可以得到我們字庫所需要的次序一般次序為 字庫所需次序雙色顯示時先排列紅色再排列綠色當紅色及綠色同時點亮時可以得到黃色信號一般的三色LED其是由紅色及綠色LED 成也稱為雙基色顯示屏。 動態(tài)掃描時間的分析人眼對快速變化的光信號會產生閃爍感，由于LED的點亮是間斷性的，當LED變化頻率不夠快時，人眼會感覺到的快速的一明一暗變化的圖像，即產生閃爍感。但當變化頻率很高時，由于人眼的視覺暫留效應，觀察者將不再感覺到閃爍，通常將恰好不引起閃爍，即人眼可以感覺到穩(wěn)定的圖像時的頻率叫做臨界閃爍頻率。人眼的臨界閃爍頻率與許多因素有關，以下幾個因素較重要：① 閃爍圖形的面積：通常是用人眼的視角來衡量閃爍面積的。實驗表明視角越大,臨界閃爍頻率越高。② 閃爍圖形的亮度：閃爍圖像的亮度越高，臨界閃爍頻率越高。③ 閃爍的幅值：閃爍的幅度越大，人眼感覺到的閃爍越明顯，當閃爍幅值小與人眼所能分辨的亮度時，觀察者將不再感覺到閃爍。④ 觀察時間： 對于短時間的觀察可能對閃爍感覺不明顯，長時間觀察更容易感到閃爍。對于以動態(tài)掃描方式工作的顯示系統(tǒng)，掃描時間的確定較為重要，根據(jù)人眼的視覺暫留時間，若每秒顯示二十四幀以上，便可得到穩(wěn)定的顯示，取每秒二十五幀，即完成對全屏的一次掃描時間為40ms，那么，只要每次完成對全屏的掃描時間不超過該值，將會得到較為穩(wěn)定的顯示。從理論上講，顯示屏的大小是任意的，但從上面的分析可知，顯示屏做得越大，即屏幕的點陣規(guī)模越大，往顯示屏上所送的數(shù)據(jù)就越多，數(shù)據(jù)傳輸與控制的時間也會增加，即完成一屏掃描的時間也將越長，然而，40ms的時間卻是固定的，多于40ms會有閃爍感。在設計顯示屏的大小時，該因素是必需考慮的。為了滿足這一要求，關鍵在于提高處理器的程序執(zhí)行速度，可以選擇更快的CPU，或數(shù)字信號處理芯片(DSP)。事實上，LED顯示屏控制器，要求的數(shù)字信號處理能力并不高，主要要求的是顯示數(shù)據(jù)的訪問和控制信號的產生。對于這兩項功能，采用89S52單片機完全可以勝任。 本章小結硬件模塊主要完成 LED 顯示屏的驅動任務，通過與上位機間的通信接收文件信息并保存，通過行列驅動器控制完成 LED 點陣的驅動。本章在設計系統(tǒng)硬件的時候，將系統(tǒng)分成三個部分，每個部分中對器件進行選型，比較了各種驅動方式的優(yōu)缺點，選擇比較簡單容易實現(xiàn)的器件和電路，使系統(tǒng)變得更加簡單實用，如果要實現(xiàn)LED點陣的模塊化設計也提供很大的方便。4 硬件調試根據(jù)設計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調試階段。調試工作的主要任務是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。(1) 脫機檢查：用萬能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。(2) 仿真調試：暫時排除目標板的CPU和EPROM，將樣機接上仿真機的芯仿真插頭進行調試，調試各部分接口電路是否滿足設計要求。這里我們采用的是SST公司生產的SST89E564RD單片機，該單片機支持ISP在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機存儲器內的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。片內 63K 程序空間可以隨時進行在線程序更新， 可以調試長達幾千行的樓宇智能控制大型程序、鍵盤控制漢字液晶顯示大型程序。向下完全兼容51全部系列產品。它可以運用KEIL C51編譯環(huán)境，使用KEIL C51中的仿真模塊中的Keil Monitor51 Driver,利用RS232將目標程序直接下載到單片機，免除了單片機的插拔。仿真調試這部分工作是一種經驗性很強的工作，一般來說，設計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調試的。通常的方法是，先編調試軟件，逐一檢查調試硬件電路系統(tǒng)設計的準確性。其次是調試MONTITOR程序，只有MONTITOR程序正常工作才可以進行下面的應用軟件調試。硬件電路調試的一般順序是：(1)檢查CPU的時鐘電路。利用示波器通過ALE測試信號，如沒有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱之為“心臟”檢查。(2) 檢查分時復用功能的地址鎖存是否正常。(3)檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構成，如是部分譯碼設計，則排除地址重疊故障。(4) 對擴展的RAM、ROM進行檢查調試。一般先后寫入55H、AAH，再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫入‘0’、‘1’過代碼。(5)用戶級I/O設備調試。如面板、顯示、打印、報警等等。對I/O經性檢查的過程中，首先檢查行選信號，檢查行選的時候，可以將列選芯片74HC595拔下來，在列行信號端某一列直接接入低電平，寫入行選信號，看是否能將某一列逐行點亮，檢測結果正確的話說明行選信號正確無誤。其次進行列驅動的檢查，可以將行選的譯碼芯片74LS154取下，將列驅動插上，在74LS154一個輸出端的芯片座上直接加上低電平，將該行選通，再寫入列信號，由于74HC595是串入并出的8位移位寄存器，可以使一行的一個LED點亮，再進行移位，如果下顯示正常的話，說明列驅動正確。行選和列驅動正確的話，至此，硬件部分的檢測結束。單片機控制技術應用越來越廣泛，其核心技術是單片機控制系統(tǒng)的設計。對工程技術人員來說，抓住系統(tǒng)的原理構成、軟