基于STC12C5A60S2單片機(jī)的LED顯示屏硬件設(shè)計

劉 晉，王政林，薛凱方

（遼寧師范大學(xué) 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116081）

自上世紀(jì)90年代以來，隨著LED顯示技術(shù)設(shè)計制造水平的不斷提高，LED數(shù)字屏逐漸在生產(chǎn)和生活中大量使用，LED數(shù)字屏以其特有的顯示介質(zhì)，在大面積，全天候，高亮度和超高亮度顯示屏領(lǐng)域凸現(xiàn)優(yōu)勢。LED顯示技術(shù)發(fā)展的十幾年中，新器件和新技術(shù)不斷采用，制造成本逐漸降低，生產(chǎn)分工不斷細(xì)化，但大量應(yīng)用的同時也暴露出LED顯示技術(shù)的若干缺陷，總體上技術(shù)尚未成熟，標(biāo)準(zhǔn)尚未完全建立，有許多方面值得進(jìn)行更深入的研究與改進(jìn)。

隨著大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，微處理器的運(yùn)算、控制能力大大增加，單片計算機(jī)已在很多工業(yè)及民用系統(tǒng)中承擔(dān)智能化的任務(wù)，與迅猛發(fā)展的運(yùn)算速度相比，其端口擴(kuò)展能力則遜色得多 (數(shù)目有限且擴(kuò)展困難)，因此研發(fā)過程中不得不在節(jié)省端口上投入大量精力，目前國內(nèi)為解決端口擴(kuò)展問題可采用軟件處理的方式，這樣加重了軟件編寫的難度，或采用擴(kuò)展端口的專用芯片。這兩種方法將引起軟件成本的提高或硬件電路復(fù)雜度的提高,不利于一些小型系統(tǒng)的研發(fā)，STC12C5A60S2單片機(jī)具有多種串行傳輸模式,在一定程度上解決了這個矛盾。

LED數(shù)字屏應(yīng)用非常廣泛，不僅能顯示文字，還能顯示各種圖形、圖表，甚至各種動畫效果，是廣告宣傳、新聞傳播的有力工具。

本文采用STC12C5A60S2單片機(jī)、接口NAND閃存和上位PC機(jī),實現(xiàn)了對16×128點(diǎn)陣LED數(shù)字屏的控制。

1 芯片選型

1.1 屏體

由于屏體是商業(yè)成品，因此系統(tǒng)芯片的選型首選為能與屏體配合的芯片。屏體自備電源，能直接將蓄電池的能量轉(zhuǎn)變?yōu)? V的直流電源，并且這個電源也通過屏體的接口電纜輸出到系統(tǒng)板上。因此系統(tǒng)可直接引用該電源，不必自備電源電路。

1.2 單片機(jī)

綜合考慮屏體和系統(tǒng)需求，選用國內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)STC12C5A60S2。

STC12C5A60S2是新一代高速8051單片機(jī)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,其工作電壓范圍是3.5 V~5.5 V，滿足要求的電壓。由于是單周期的8051（傳統(tǒng)8051是12周期）,可選擇較易于獲得準(zhǔn)確波特率的11.059 2 MHz晶振，而不必?fù)?dān)心工作速度降低。

STC12C5A60S2有 60 KB的用戶應(yīng)用程序空間，256 B的RAM和1024 B的XRAM。能滿足程序代碼的需求和緩沖區(qū)定義的需求。另有與程序存儲空間獨(dú)立的一片閃存區(qū)域，可在應(yīng)用編程中作EEPROM使用。

STC12C5A60S2有雙UART以及ISP串口，串口資源足夠系統(tǒng)使用。另外通過宏晶科技提供的軟件，使用UART可很容易地實現(xiàn)程序下載。STC12C5A60S2有36個通用I/O口，大部分可位控，并具有強(qiáng)推挽輸出的能力，足夠系統(tǒng)使用。

STC12C5A60S2有4個16 bit定時器和一個獨(dú)立的波特率發(fā)生器，另外還有兩個PCA模塊，能獲得豐富的定時器資源。STC12C5A60S2有PDIP-40封裝的芯片，易于快速進(jìn)入實驗。

1.3 閃存

因為 16×16點(diǎn)陣的漢字庫容量在 250 KB左右，而MCS51的尋址空間只有64 KB。接口大于64 KB容量的普通存儲芯片就必須進(jìn)行總線擴(kuò)展，采用兩次鎖存地址的方法來讀寫，既需要復(fù)雜的電路，又占用較長的存取時間。同樣，NOR閃存與EPROM的引腳結(jié)構(gòu)相類似，有同樣的接口復(fù)雜性，成本也十分高。要實現(xiàn)單片機(jī)與字庫芯片的簡單接口（不需擴(kuò)展），只能選用串行結(jié)構(gòu)的存儲器或命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線結(jié)構(gòu)的存儲器。

串行結(jié)構(gòu)的存儲器多為EEPROM，沒有很大的容量，不適合做字庫芯片。因此只有選用命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線的NAND閃存作為字庫存儲芯片。

字庫所需的容量不大，但最好能5 V供電，且編程的緩存要求較小的芯片。SAMSUNG公司出品的K9F4008W是一款512 KB的NAND閃存，僅有8個IO端口,且工作電壓范圍較廣(3 V~5.5 V),可以兼容 3 V和5 V的硬件系統(tǒng)，并且?guī)幊虝r僅需要32 B的緩沖，正適合作為字庫存儲的芯片。

因此,閃存芯片的可電擦寫特性頁非常適用于需要更換字庫的場合。故該芯片是十分理想的漢字庫存儲器。

2 電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的電路的原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

3 總體設(shè)計

3.1 屏體接口模塊

屏體接口包括屏體接口頭文件、屏幕緩沖區(qū)的定義、屏體接口初始化、刷新定時器中斷服務(wù)程序和SPI中斷服務(wù)程序幾個部分。

屏體接口的頭文件screen.h應(yīng)該使屏幕緩沖區(qū)對其他應(yīng)用可見，并提供屏體初始化函數(shù)[4]。具體定義如下：

這樣就把屏幕緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)暴露給應(yīng)用，但應(yīng)用不必關(guān)心具體的屏幕刷新操作。

具體屏體接口的實現(xiàn)集中在一個文件screen.c中定義。具體如下：

首先是屏幕緩沖區(qū)定義：u8 xdata SCR_BUF[16][16]_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes其次是當(dāng)前顯示行和輸出列變量定義，屬于靜態(tài)變量，應(yīng)用程序不可見。

static u8 data row,col;

然后是屏幕初始化，包括刷新定時器0的初始化、SPI的初始化、鎖存bLatch信號的初始化、屏幕緩沖區(qū)的初始清零以及定時器和SPI中斷的優(yōu)先權(quán)和使能位的初始化[3]。代碼略。

SPI和定時器0的中斷服務(wù)程序是屏體接口的關(guān)鍵。

定時器0的中斷服務(wù)程序首先進(jìn)行掃描行增量取模運(yùn)算，并將掃描行輸出。然后依據(jù)掃描行取出屏幕緩沖區(qū)對應(yīng)行的第一個字節(jié)發(fā)送到SPI端口。同時列增量。

這樣編寫的屏體驅(qū)動，應(yīng)用只要在初始化屏體后，向屏幕緩沖區(qū)中寫入要顯示的數(shù)據(jù)即可，而不必關(guān)心屏幕顯示的細(xì)節(jié)。

3.2 UART接口

UART接口負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)，盡管發(fā)送可以同步進(jìn)行，但接收必須異步進(jìn)行。因而UART接口的核心仍然應(yīng)該是一個中斷服務(wù)程序。

UART接口的頭文件uart.h隱藏了接收緩沖區(qū)的信息，用戶可調(diào)用的函數(shù)只有初始化、發(fā)送和接收[1]。

UART的接口實現(xiàn)首先定義一個接收緩沖FIFO，以及對FIFO的讀下標(biāo)uart_rd和寫下標(biāo)uart_wr,他們都是文件內(nèi)可見的靜態(tài)變量:

UART的初始化包括進(jìn)行FIFO的初始化和UART格式、波特率、中斷的初始化。代碼略。

UART的ISR主要是服務(wù)于接收，無條件地將數(shù)據(jù)裝入FIFO，并調(diào)整寫入指針。

提供給用戶的發(fā)送程序首先檢測發(fā)送結(jié)束標(biāo)記，如果為0，表示上次發(fā)送尚未結(jié)束，直接返回錯誤信息 1。否則將要發(fā)送的信息發(fā)送并清零發(fā)送結(jié)束標(biāo)記。這樣設(shè)計的發(fā)送程序，其目的是將發(fā)送等待不限制在接口底層，而是給上層一個決定是否等待發(fā)送結(jié)束的機(jī)會。

同樣，接收程序也給上層一個選擇等待的機(jī)會。接收函數(shù)首先判斷接收FIFO是否為空，如果為空或輸入指針參數(shù)錯誤，則直接返回錯誤，否則才從FIFO中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到指針指向的地址，然后返回成功。

3.3 閃存接口

閃存的存取有特殊的時序，閃存的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也和具體應(yīng)用要求有很大的不同。因此閃存的接口需要仔細(xì)設(shè)計。

K9F4008閃存芯片的存儲結(jié)構(gòu)組織如圖2[5]所示。

K9F4008閃存的存儲以塊為單位，每個芯片共有128塊。每塊有32行，每行有4個幀，每幀含有32 B。全部芯片為512 KB。

閃存接口提供的閃存初始化函數(shù)中就包括對這樣情況的處理。初始化函數(shù)要從閃存的第一個塊中讀出一個塊映射表，該表下標(biāo)是邏輯扇區(qū)，表內(nèi)每項存儲的是該邏輯扇區(qū)對應(yīng)的物理塊編號。初始化函數(shù)在必要時對閃存進(jìn)行讀寫校驗，然后將壞塊從表中刪除。再尋找新的良好塊，將其編號填入到對應(yīng)邏輯扇區(qū)的表項中。這樣對應(yīng)用來說，只見到連續(xù)的扇區(qū)編號，而不知道扇區(qū)究竟對應(yīng)到那個塊[2]。

圖2 K9F4008的存儲組織

閃存的接口頭文件flash.h如下：

實現(xiàn)閃存的接口，首先就是依據(jù)說明書的時序定義閃存的基本操作。這里是以宏定義實現(xiàn)基本操作的。

3.4 EEPROM

內(nèi)部集成的EEPROM是與程序空間分開的，利用ISP/IAP技術(shù)可將內(nèi)部DATAFLASH當(dāng)EEPROM，擦寫次數(shù)10萬次以上。EEPROM可分為若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)包含512 B。使用時，建議同一次修改的數(shù)據(jù)放在同一個扇區(qū)，不是同一次修改的數(shù)據(jù)放在不同的扇區(qū)，不一定要用滿。數(shù)據(jù)存儲的擦除操作是按扇區(qū)進(jìn)行的。

根據(jù)使用說明對EEPROM的寄存器進(jìn)行定義。

[1]石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[2]王標(biāo)，周新志.嵌入式系統(tǒng)中NAND Flash寫平衡的研究[J].微計算機(jī)信息,2008,24(5-2):8-9,26.

[3]黎友盛，周菁菁.大屏幕LED顯示屏的高速控制方案[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007（09）:48-50.

[4]石長華,周杰.基于 Proteus的單片機(jī)漢字點(diǎn)陣顯示設(shè)計與仿真[J].景德鎮(zhèn)高專學(xué)報,2007,22（04）:1-3.

[5]K9F4008W0A-TCB0[EB/OL].http://http://www.samsung.com.

[6]康志亮，廖國剛.LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].云南民族大學(xué)學(xué)報,2006,15(04):297-301.