基于LabVIEW與單片機(jī)的多功能LED點(diǎn)陣顯示屏設(shè)計(jì)

孫立輝 王海

摘 要： 設(shè)計(jì)的多功能LED點(diǎn)陣顯示屏由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)利用LabVIEW從計(jì)算機(jī)的漢字庫(kù)中提取漢字字模并轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制字模數(shù)據(jù)，并在LabVIEW中進(jìn)行圖像掃描得到相應(yīng)漢字的字模，經(jīng)串口傳給下位機(jī)以驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣顯示屏顯示相應(yīng)的漢字；下位機(jī)的硬件部分由時(shí)鐘電路、LED點(diǎn)陣屏顯示電路、溫度采集電路以及主控制器等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)漢字、溫度和時(shí)間的顯示。該系統(tǒng)具有修改顯示內(nèi)容方便，顯示穩(wěn)定，亮度清晰等特點(diǎn)，因此具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： LED點(diǎn)陣顯示屏； LabVIEW； MAX7219； 漢字

中圖分類號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）06?0140?03

Design of multi?function LED dot?matrix display screen based on LabVIEW and SCM

SUN Lihui， WANG Hai

（College of Information and Control Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin 132022， China）

Abstract： With the rapid development of electronic technology， the dot?matrix display device is widely used in various fields. The designed multi?function LED dot?matrix display screen is composed of the upper computer and lower computer. The Chinese character matrixes are extracted by the upper computer from the Chinese character matrix library in computer by means of LabVIEW， and converted into hex matrix data. The corresponding Chinese character matrixes are obtained by image scanning in LabVIEW， and transmitted to the lower computer through the serial port to drive LED dot?matrix display screen for displaying the corresponding Chinese characters. The hardwares of the lower computer are composed of clock circuit， LED dot?matrix screen display circuit， temperature acquisition circuit and master controller， which can realize the display of Chinese characters， temperature and time. The system has a high application value due to the advantages of convenience display content modification， stable display， clear luminance， etc.

Keywords： LED dot?matrix display screen； LabVIEW； MAX7219； Chinese character

近年來，點(diǎn)陣顯示器件的研制、生產(chǎn)得到了迅速發(fā)展，形成了光電子行業(yè)新興的產(chǎn)業(yè)。LED顯示屏以其外形美觀大方、顯示信息量大、壽命長(zhǎng)、能耗小、穩(wěn)定性高、操作使用靈活方便著稱，應(yīng)用在廣告宣傳、公交、車站、體育、軍事等許多領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上控制顯示屏的核心元件以FPGA和單片機(jī)居多。以FPGA為核心的顯示屏雖然具有數(shù)據(jù)處理量大，控制靈活等特點(diǎn)，但是FPGA的亞穩(wěn)態(tài)以及競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)對(duì)輸出的影響也是致命的[1?2]。以單片機(jī)為控制核心雖然不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象，但是大多數(shù)設(shè)計(jì)所采用的顯示驅(qū)動(dòng)電路卻占用較多的I/O口[3?6]。本文所設(shè)計(jì)的LED點(diǎn)陣顯示屏采用單片機(jī)為控制核心，通過MAX7219集成化串行輸入/輸出共陰顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)顯示屏，顯示信息直接利用LabVIEW調(diào)用漢字點(diǎn)陣文件進(jìn)行顯示。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)方案采用上位機(jī)通過串行通信控制下位機(jī)以顯示相應(yīng)的漢字信息，而時(shí)間及溫度等信息則通過下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)。顯示屏的硬件電路通過MAX7219集成化串行輸入/輸出共陰顯示驅(qū)動(dòng)器顯示，其優(yōu)點(diǎn)是只需要3個(gè)I/O口即可驅(qū)動(dòng)1個(gè)點(diǎn)陣，點(diǎn)陣顯示時(shí)無閃爍，支持級(jí)聯(lián)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選擇

單片機(jī)是下位機(jī)的核心器件，主要負(fù)責(zé)溫度測(cè)量、時(shí)鐘計(jì)時(shí)以及驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示相應(yīng)信息，本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)[7]。AT89C52是一種帶4 KB FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS?51指令集和輸出管腳相兼容。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 點(diǎn)陣顯示屏接口電路設(shè)計(jì)

LED點(diǎn)陣顯示屏采用MAX7219顯示驅(qū)動(dòng)器，此驅(qū)動(dòng)器是集成化的串行輸入/輸出共陰極驅(qū)動(dòng)器，它可以連接7段數(shù)字LED顯示，也可以連接64個(gè)獨(dú)立的LED。普通方法驅(qū)動(dòng)一個(gè)8×8點(diǎn)陣，需要用到8個(gè)單片機(jī)I/O，如果驅(qū)動(dòng)數(shù)量較多的點(diǎn)陣，占用較多的單片機(jī)的I/O，但是采用MAX7219，只需3個(gè)I/O口就可以實(shí)現(xiàn)。多個(gè)點(diǎn)陣級(jí)聯(lián)時(shí)，只需將第一片的DIN，CS，CLK引腳與單片機(jī)的3個(gè)I/O口連接，將輸出端的CS，CLK，DOUT與下一片的輸入進(jìn)行連接，以此類推，就可以實(shí)現(xiàn)用3個(gè)I/O口控制多個(gè)點(diǎn)陣，理論上可以實(shí)現(xiàn)無限級(jí)聯(lián)。點(diǎn)陣顯示屏接口電路如圖2所示。

圖2 LED點(diǎn)陣屏接口電路

2.3 輔助功能設(shè)計(jì)

LED多功能顯示屏除了顯示漢字和圖形外，還可以顯示溫度及日期，使得顯示屏的功能更加強(qiáng)大。溫度采集電路采用DALLAS公司的DSl8B20數(shù)字式溫度傳感器，測(cè)量的溫度值采用9位二進(jìn)制數(shù)表示，無需A/D，直接可以輸入CPU，而且讀/寫指令、溫度轉(zhuǎn)換指令都通過數(shù)據(jù)總線傳入DSl8B20，無需外部電源。硬件結(jié)構(gòu)見圖3。

時(shí)鐘電路采用DS1302時(shí)鐘芯片，此芯片具有涓細(xì)電流充電能力，而且可以采用串行數(shù)據(jù)傳輸，并提供掉電保護(hù)為電源提供可編程的充電功能。晶振為32.768 kHz。DS1302接口電路非常簡(jiǎn)單，只需在X1和X2之間加一個(gè)晶振，另外3個(gè)引腳SCLK，I/O，RES接CPU三個(gè)引腳即可。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 溫度采集電路

圖4 DS1302接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)輸入字符以實(shí)現(xiàn)在LED顯示屏上顯示[8]，另外，系統(tǒng)還可以顯示時(shí)間和溫度等相關(guān)信息，系統(tǒng)主程序如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.1 上位機(jī)LabVIEW串口初始化設(shè)置

在程序的開始階段首先需要調(diào)用VISA Configure Serial Port完成串口參數(shù)設(shè)置，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等。本設(shè)計(jì)設(shè)置波特率為4 800 b/s、數(shù)據(jù)位為8、校驗(yàn)位為0、停止位為1，串口初始化程序如圖6所示。

圖6 串口初始化

3.2 HMI設(shè)計(jì)

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW中的前面板就是圖形化用戶界面，用于設(shè)置數(shù)值輸入和輸出量。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LabVIEW串口設(shè)置及HMI界面如圖7所示。通過設(shè)置與STC89C52單片機(jī)串口通信匹配的波特率、串口號(hào)、數(shù)據(jù)位，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與STC89C52單片機(jī)串口通信，并用LabVIEW將漢字的字模提取出來，發(fā)送到單片機(jī)中進(jìn)行顯示。

圖7 LabVIEW HMI設(shè)計(jì)界面

圖7中左側(cè)為操作界面，為了保證通信正常，添加了測(cè)試功能，當(dāng)連接好下位機(jī)時(shí)，點(diǎn)擊測(cè)試按鈕，如果通信正常，下位機(jī)會(huì)返回一個(gè)指令，上位機(jī)顯示“OK！”，當(dāng)未成功時(shí)，上位機(jī)將顯示“ERROR！”，這樣避免通信未成功而操作者不知問題所在。當(dāng)通信正常時(shí)，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，所輸入漢字的字模將發(fā)送到下位機(jī)中，發(fā)送過程中工作指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)不能進(jìn)行其他操作，當(dāng)發(fā)送結(jié)束后，下位機(jī)將顯示一個(gè)和上位機(jī)模擬的相同的界面。

3.3 字模提取方案

本設(shè)計(jì)主要利用漢字字符的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及漢字字符的編碼方案，利用LabVIEW圖形化編程的特點(diǎn)以及LabVIEW中字符串、數(shù)組，數(shù)字型變量、布爾型變量，循環(huán)判斷圖框來進(jìn)行漢字字模的提取，程序流程圖如圖8所示，程序后框圖如圖9所示。

圖8 字模提取流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 溫度及時(shí)間顯示

系統(tǒng)開機(jī)后，點(diǎn)陣屏進(jìn)入時(shí)間和溫度顯示界面。其中第一行顯示的是時(shí)間的時(shí)和分，第二行顯示的是秒和溫度，例如，現(xiàn)在初始時(shí)間為23時(shí)01分00秒，溫度25 ℃，如圖10所示。

圖9 程序后框圖

圖10 溫度和時(shí)間顯示界面

4.2 漢字顯示

打開上位機(jī)LabVIEW，選擇串口，在LabVIEW中輸入2個(gè)漢字，例如“測(cè)控”， 點(diǎn)擊復(fù)位按鈕，清空所有數(shù)據(jù)，防止發(fā)送字模時(shí)有干擾，點(diǎn)擊測(cè)試按鈕，觀察通信狀態(tài)，當(dāng)顯示“OK！”時(shí)，說明通信正常，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，此時(shí)工作指示燈將點(diǎn)亮，不要進(jìn)行其他任何操作，防止對(duì)發(fā)送字模產(chǎn)生干擾。同時(shí)，上位機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)模擬16×16點(diǎn)陣顯示屏的效果圖，并將兩個(gè)漢字的字模以十六進(jìn)制數(shù)的方式顯示在一個(gè)4×16的數(shù)組里，實(shí)際效果如圖11所示。

圖11 顯示屏漢字顯示效果圖

5 結(jié) 語

本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)和LabVIEW相結(jié)合的LED點(diǎn)陣顯示屏，在上位機(jī)通過LabVIEW編程產(chǎn)生字模，經(jīng)串口傳遞給下位機(jī)。簡(jiǎn)化了程序，減少了單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，并可以根據(jù)需要隨時(shí)修改顯示內(nèi)容，同時(shí)具有溫度和時(shí)間顯示功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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