【正文】 因此，單片機系統(tǒng)要和 PC 機 的 RS232C 接口進行通信，就必須把單片機的信號電平（ TTL 電平）轉(zhuǎn)換成計算機的 RS232C 電平，或。本系統(tǒng) 采用 了 RS232C 串行通信方式。編程完成拔掉下載線，芯片進入正常工作后， PB PB PB7 仍可作為普通的 I/O 口或 AVR基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 20 的 SPI 口使用，受 AVR 的控制 。 在圖 42 的單片機最小系統(tǒng)中引出了 ISP 下載接口。 ATmega16 片內(nèi)含有 SPI 和 JTAG 口，所以對 ATmega16 能使用 3 種編程方式：高壓并行編程、串行 ISP 編程、串行 JTAG 編程。雖然 ATmega16 芯片最高允許的晶振頻率為16MHz，但在實際的測試過程中發(fā)現(xiàn)在 16MHz 晶振下芯片偶爾出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象。平時復(fù)位按鍵不動作時， RESET 端被電阻 R1 上拉，輸入高電平，可靠運行。 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 單片機最 小系統(tǒng)電路原理圖 ATmega16 共有五個復(fù)位源， 分別為 上電復(fù)位 、 外部復(fù)位 、 掉電檢測（ BOD）復(fù)位 、 看門狗復(fù)位 、 JTAG AVR 復(fù)位。本課題由于對單片機運行速度的要求較高， AVR 單片機內(nèi)部 RC 振蕩器頻率達(dá)不到要求，所以需外接 16MHz 晶振，同時考慮到系統(tǒng)運行異常狀態(tài)下的復(fù)位問題，鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 19 還需增添手動復(fù)位電路。系統(tǒng)的整體電路如圖 41 所示，具體的各部分電路下面將予以介紹。 系統(tǒng) 硬件總體 設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)的功能 需求， LED 顯示屏控制系統(tǒng) 主要由 并轉(zhuǎn)串?dāng)?shù)據(jù)輸出模塊、232 通訊模塊、 SD 卡讀寫模塊以及單片機最小系統(tǒng)等幾大模塊 組成 。 系統(tǒng) 需要 實現(xiàn)以下功能： A. 實現(xiàn) 19232（雙色）點陣的控制； B. 紅、綠、黃三種顏色靜態(tài)或動態(tài)顯示 8 16 1 32 32 的英文字符、中文漢字和簡單圖形； C. 通過串口和 PC 機相連，配合上位機軟件，實現(xiàn)對顯示屏顯示信息的修改。 基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 18 4 硬件設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng) 硬件 功能分析 本課題是關(guān)于雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。 其方便的操作使畫電路原理圖和 PCB 原理圖時更加便捷和高效。 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。 它包含了電 路 原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設(shè)計（包含印刷電路板自動布線）、可編程邏輯器件設(shè)計、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)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件格式，如 ORCAD、 PSPICE、 EXCEL 等?？紤]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開發(fā)環(huán)境。 Delphi 是建立在一個真正面向?qū)ο蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的編程語言，可以很方便地建立標(biāo)準(zhǔn)的、強大的基于 Win32的應(yīng)用程序。上位機軟件關(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 機之間的通訊，所以極為重要。 GCC 安裝以后可以集成在 AVR Studio 開發(fā)環(huán)境中，使用 GCC 來編寫、編譯 C 語言程序，而使用 AVR Studio 通過下載器或仿真器連接硬件電路來下載或仿真調(diào)試程序。其中 GCC 是全球開發(fā) AVR 使用人數(shù)最多的軟件，它不僅完全免費，而且編譯效率高， 國外最大的 AVR 資源網(wǎng)站avrfreaks 也推薦使用 。 只有與其他軟件共同開發(fā)才能使用常用的 C 語言來開發(fā) 。它是 AVR 官方的軟件，完全免費。 單片 機 集成開發(fā)環(huán)境的選擇 AVR 系列單片機 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)點與不足之處。 而且 很多 微控 制器 支持 C 編譯器，這意味著對新的 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。 用 C 語言 更接近人基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 16 類的自然語言，和 人們的思考習(xí)慣 相似，可讀性強 。匯編語言的靈活性 很 強， 語言簡潔，但 可讀性 差，維護和擴展難 ，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。 A. 匯編 語言 匯編 語言 是一種通用編程語言。即不集成字庫芯片，純 PC 端軟件生成。缺點就是對上位機的編程要求較高，修改顯示信息數(shù)據(jù)量較大，不適合顯示信息需要實時變化的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)。沒有字模芯片的控制方案完全通過上位機軟件依靠 PC 機來實現(xiàn)字模數(shù)據(jù)的處理，充分利 用了資源，節(jié)約了成本。一般用于具有短信控制的功能的 LED 顯示屏控制器上。兩種方法各有優(yōu)劣。 漢字字模生成方案選擇 LED 條屏控制卡在驅(qū)動 LED 顯示屏顯示漢字的時候字模數(shù)據(jù)生成有兩種方法，一種是在控制器上集成字庫芯片，在顯示漢字的時候，發(fā)送漢字在字庫中對應(yīng)的字模地址，取模顯示。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，實現(xiàn) 了課題的控制要求。 綜合上述的方案比較以及特點分析，本課題結(jié)合并行數(shù)據(jù)輸出以及串行數(shù)據(jù)輸出的特點，采用了并串結(jié)合的控制思想。這種數(shù)據(jù)輸出方式對數(shù)據(jù)組織沒有要求，按順序循環(huán)輸出就可以了。這不僅浪費了四個 I/O 口的資源而且大大增加了數(shù)據(jù)大小，所以本課題不采用這種方式。 這種數(shù)據(jù)輸出方式還可以改進為直接由外部 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。 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，控制簡單，但不符合一般的數(shù)據(jù)組織方式，需對顯示 信息進行特殊的格式處理。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 即單片機同時并行八位送出一個數(shù)據(jù)。在控制器相同的情況下，數(shù)據(jù)的輸出方式直接決定了控制卡的控制能力。 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。以 SD卡作為外部存儲器，通過讀寫 SD 卡來實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的存放與讀取。同時由于 ATmega16 單片機 不支持?jǐn)U展外部 RAM，所以外部 RAM+電池的方案也 行不通 。也有的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)外擴的是 RAM，通過外接電池，使 RAM 不掉電，數(shù)據(jù)不丟失，從而實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的存儲。由于現(xiàn)在的單片機或是 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，實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的實時修改。 存儲方案選擇 在 LED 顯示屏控制系統(tǒng)中，顯示數(shù)據(jù)的存儲問題，是比較重要的設(shè)計內(nèi)容。 根據(jù)上述的方 案比較 ， 實際情況分析 以 及系統(tǒng)的功能需求 ， 考慮到本 課題 的上 位機和 單片機進行一次通信時的數(shù)據(jù)量不大 ，通訊距離較短， 而且對通信的速度及可靠性要求 不高 。只要有手機信號的地方都可以發(fā)送，十分方便靈活。 LED 顯示屏中的無線通訊大多指的是短信 GSM 無線接收。雖然省去了電纜，不需要布線，但由于無線通訊范圍的限制，使用仍然不方便。結(jié)合到 LED顯示屏控制系統(tǒng)中，如果采用 RS485通訊，上位機和單片機都要設(shè)計485接口，使用不方便。 RS485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 4000英尺，實際上可達(dá) 3000米 。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 。因此不適合做遠(yuǎn)距離通信 。 RS232C 規(guī)定最大的負(fù)載電容為 2500pF，這 個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地（ GND），屬于鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 13 非平衡電壓型傳輸電路，不使用差分信號傳輸，因此不具備抗共模干擾的能力，共模噪聲會耦合到信號中。現(xiàn)在， 臺式 計算機上的串行通信端口（ RS232C）是標(biāo)準(zhǔn)配置端口，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用， 臺式 計算機上一般都有 1～ 2 個標(biāo)準(zhǔn) RS232C 串口，即通道 COM1 和 COM2。這就需要條屏控制卡通過某種方式和 PC 機連接，進行通訊。本課題 在 制作控制 器實物的時候考慮到 盡量減小印制電路板的面積 ，最終采用了 44 腳 TQFP 封裝的ATmega16 單片機 。擁有 1 個可編程的增強型全雙工的，支持同步 /異步通信的串行接口 USART， 1 個可工作于主機 /從機模式的 SPI 串行接口（支持 ISP程序下載 ）。 工作在 16MHz時具有 16MIPS 的性能 ， 配備只需要 2 個時鐘周期的硬件乘法器 ； B. 片內(nèi)含有較大容量的非易失性的 程序和數(shù)據(jù)存儲器 ， 16K 字節(jié)在線可編程（ ISP） Flash 程序存儲器（擦除次數(shù) 1 萬次） ， 采用 Boot Load 技術(shù) ， 支持 IAP功能； C. 片內(nèi)含 JTAG接口 ， 支持符合 JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能用于芯片檢測 ，支持?jǐn)U展的片內(nèi)在線調(diào)試功能 ， 可通過 JTAG 口對片內(nèi)的 Flash、 EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實施下載編程； D. 擁有 2 個帶有分別獨立、可設(shè)置預(yù)分頻器的 8 位定時器 /計數(shù)器 ， 1 個帶有可設(shè)置預(yù)分頻器、具有比較、捕捉功能的 16 位定時器 /計數(shù)器 。 ATmega16 單片機 的功能強大，內(nèi)部資源豐富，性 價比極高，具有以下特點： A. 采用先進 RISC 結(jié)構(gòu)的 AVR 內(nèi)核 ，有 131 條機器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個系統(tǒng)時鐘周期 。 ATmega16 引腳如圖基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 12 32 所示?？紤]到本課題對控制器性能的要求較高，所以主要在 megaAVR 的系列中進行選型。由于 AVR 單片機共有 3 個系列數(shù)十種型號的產(chǎn)品，所以現(xiàn)根據(jù)課題的需要進行具體型號的選型。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 單片機作為主控制器。除此之外， AVR單片機開發(fā)環(huán)境眾多，調(diào)試工具方便，網(wǎng)上資料齊全，十分適合初學(xué)者學(xué)習(xí)和掌握。 由于 AVR單片機采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統(tǒng)以及單級流水線等先進技術(shù)，使得 AVR單片機具有高達(dá) 1MIPS/MHz的高速運行處理能力。它吸取 了 PIC和MCS51等單片機的優(yōu)點， 同時在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上還作了一些重大的該進。 方案三： AVR 單片機 使用 AVR單片機為 LED條屏控制 器 的控制 芯片 。作 為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果 ， 同時 PIC 單片機內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設(shè)計難度，同時降低了硬件成本。 方案二： PIC 單片機 使用 PIC 單片機為 LED 條屏控制 器 的控制 芯片 。這就需要對單片機擴展外設(shè)，無疑增加了硬件成本。因受到單片機運算速度及通信速率的限制， LED 條屏控制 器 的控制范