【正文】 并轉(zhuǎn)換器 74LS164 列譯碼采用的是芯片 74LS164。 譯碼電路設(shè)計 譯碼電路的功能是為了解決單片機(jī) I/O 端口不足。其第二功能和實際運用如表 31 所示： 表 31 AT89S51P3 口第二功能的應(yīng)用 端口 第二功能 實際作用 RXD（串行輸入口） 與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入口 TXD(串行輸出口 ) 與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸出口 外部中斷 0 做按鍵中斷，控制顯示狀態(tài) 外部中斷 1 做按鍵中斷，控制運行模式 AT89S51 單片機(jī)的 P1 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用， P2 口在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。因為沒有擴(kuò)展外部程序存儲器所以將 EA 置為高電平。 端口 30， EA/VPP：外部訪問允許。具體接法為： ， ， ， 分別接四塊 74LS164的 A 端，向 74LS164 送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出； 和 分別接列和行的 74LS164 的 CLOCK 端，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出； 和 接列和行的 CLEAR 端，在一組數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)換后清除 164 芯片中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換新的數(shù)據(jù)；其中 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。由于端口的驅(qū)動能力有限所以該端口外接了 5K 的上拉電阻來提高驅(qū)動能力。根據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖 32 所示。 控制系統(tǒng)設(shè)計 控制電路設(shè)計中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個最小系統(tǒng)（指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)）?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼 續(xù)工作。靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP 字節(jié)或頁寫模式） AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k字節(jié) Flash閃速存儲器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個 I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 低功耗空閑和掉電模式 6 個中斷源 32 個可編程 I/O 口線 三級程序加密鎖 － 的工作電壓范圍 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲器 AT989S51 具有以下特點： AT89S51 簡介 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器 ,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。還有就是為了提高 LED 顯示屏的掃描速度，單片機(jī)的執(zhí)行速度要盡可能的快。 在 51 系列單片機(jī)中選定一款合適的機(jī)型來作為控制單元的主控芯片。 控制單元設(shè)計 控制單元是整個顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用 51 系列單片機(jī)為核心器件，用來和上位機(jī)通信處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令和顯示內(nèi)容。 （ 5）單片機(jī)由 ISP 下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。 （ 4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制 LED 顯示屏的顯示，并且端口驅(qū)動能力要足以驅(qū)動譯碼電路。 （ 2）驅(qū)動電路要能提供 LED 顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。 7 4 L S 3 7 3P C 機(jī)7 4 L S 1 6 4A T 8 9 S 5 1U L N 2 8 0 3M A X 2 3 27 4 L S 1 6 47 4 L S 1 6 47 4 L S 1 6 4 U L N 2 8 0 37 4 L S 3 7 34 塊 8 8 點 陣 模 塊 構(gòu) 成 的1 6 1 6 L E D 點 陣 屏L E D 點 陣 模 塊 陽 極L E D 點 陣 模 塊 陰 極8 5 5 0 三 極 管電 源 圖 31 硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和要求有以下幾點： （ 1） LED 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個漢字的標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個系統(tǒng)之中。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件整體設(shè)計概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設(shè)計主要由上位機(jī)，通信系統(tǒng) ，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動電路和 1616 的點陣屏六部分組成。課題設(shè)計題目對顯示的實時性要求較低且所設(shè)計的顯示屏尺寸不大同時顯示的內(nèi)容不多，所以實時顯示就沒有必要。存儲顯示是將顯示內(nèi)容處理過后存儲在上位機(jī)中通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏 顯示 [9]。 LED 顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實時顯示和存儲顯示兩種方法。 上位機(jī)控制傳輸軟件 其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對該顯示系統(tǒng)的硬件要求便降低了，增加了系統(tǒng)的通用性。目前在單片機(jī)開發(fā)中普遍都是使用 KEIL C51 來進(jìn)行編譯。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，編譯器必不可少。 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。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(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)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 可以進(jìn)行許多機(jī)器級函數(shù)控制而不用匯編語言。 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。 匯編語言 (Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計語言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計語言，也是利用計算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。 單片機(jī)編程語言 現(xiàn)在主要運用的單片機(jī)編程語言為匯編語言和 C 語言。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。具體結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。 圖 24 硬件設(shè)計方案單片機(jī)譯碼電路1 6 1 6 L E D顯 示 屏顯示驅(qū)動電路串行通信P C 機(jī) 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。 硬件設(shè)計方案 最終方案如圖 23 所示，以 PC 機(jī)作為上位機(jī)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(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動 4 塊 88LED點陣模塊構(gòu)成的 1616 的 LED點陣顯示屏。 51 系列單片機(jī)端口低電平時，吸入電流可達(dá)２０ｍＡ，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十 μＡ甚至更小（電流實際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動 LED 顯示屏顯示。經(jīng)常采用的端口擴(kuò)展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行譯碼。所以構(gòu)建一個 1616 的 LED 點陣屏選用四塊 88 點陣模塊。 兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個 LED 點陣顯示屏。目前市場上普遍采用的點陣模塊有 8串 口 通 信 單 片 機(jī) 最 小 系 統(tǒng) LED 點陣 1616 幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點在于當(dāng)單個的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點在于連接線路復(fù)雜；而點陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過當(dāng)一個 LED 出現(xiàn)問題時同在一個模塊的所有 LED 都必須被更換。 LED 顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的 LED顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。如圖 圖 22 硬件電路聯(lián)系圖 LED 點陣顯示屏 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。在單片機(jī)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 [6]。單由軟件實現(xiàn)會增加 CPU 負(fù)擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實現(xiàn)。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(jī)中。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進(jìn)行的，而計算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。計算機(jī)數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。 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)。當(dāng)該腳作輸出腳使用時，則 為高電平或低電平均可。其中 應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)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(jī)學(xué)習(xí)的教材。 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(jī)的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用。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(jìn)行重構(gòu)，修改軟件程序就相當(dāng)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(jī)。 （ 3） EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計自動化，它是以計算機(jī)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(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。 DSP 區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)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。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、顯 示 屏 部分 控 制 部 分 上 位 機(jī) 通 信 系 統(tǒng) 便攜式計算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、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)。 （ 2） DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號處理器。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展， NMOS 工藝單片機(jī)被 CMOS 代替，并開始向 HMOS 過渡。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。它有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于工業(yè)控制 ,因此又叫微控制器 (MCU)。其常用的電子設(shè)計方法有單片機(jī)、 DSP、及 EDA 技術(shù)。上位機(jī)通過通信部分向控制部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，控制部分執(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 [3]。硬件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計，既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。 第 2 章 方案論證與選擇 系統(tǒng)硬件方案 大多數(shù)的 LED 顯示屏都在戶外，所以對硬件的質(zhì)量要求非常的高。通過分析，查找找出了問題原因并設(shè)法將其解決。在硬件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有單片機(jī)端口驅(qū)動能力不足、驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定等問題。然后按照所劃分的模塊逐個編寫和調(diào)試，最后將獨立的模塊整合起來。 （ 3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點和設(shè)計要求，軟件選用 C 語言編寫。經(jīng)過對比選擇選定 AT89S51 單片機(jī)為核心控制器件，由串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 和鎖存器 74LS373 為譯碼