摘 "要： 為了實(shí)現(xiàn)AVR單片機(jī)對(duì)LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)的控制，采用ATmega128作為下位機(jī)MCU，通過(guò)接收上位機(jī)發(fā)送的顯示內(nèi)容和顯示模式的串行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)16×32高亮點(diǎn)陣屏的一行多個(gè)文字或符號(hào)的顯示。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，顯示效果良好，便于多塊點(diǎn)陣屏的擴(kuò)展，作為高職學(xué)生的大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新有較高的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞： LED顯示屏; AVR單片機(jī); 上位機(jī); 串行通信

中圖分類(lèi)號(hào)： TN964?34 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2015）02?0056?03

Design of LED matrix advertisement screen based on ATmega128 MCU

ZHU Zhi?qiang， BAO Jun?wei， ZHONG Bo， ZHU Jing?xia， WANG Rui

（Department of Electronic Information Engineering， Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin 214400， China）

Abstract： In order to control LED matrix screen systems by AVR SCM， the display of characters and symbols in one line on 16×32 highlight matrix screen was realized by using ATmega128 as the lower computer MCU， and receiving the display content and display mode serial signal form host computer. The system is stable and its display effect is good. It is convenient for expansion of more lattice display screen， and has high practical significance for innovative practice of higher vocational college students.

Keywords： LED screen; AVR MCU; host computer; serial communication

0 "引 "言

隨著高亮LED技術(shù)的發(fā)展，LED點(diǎn)陣屏以其使用壽命長(zhǎng)，顯示內(nèi)容方便靈活，性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐步替換了傳統(tǒng)廣告牌，成為主流的廣告顯示產(chǎn)品[1]。目前高職應(yīng)用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)在開(kāi)設(shè)單片機(jī)原理課程時(shí)大多使用51系列單片機(jī)作為載體，但51系列單片機(jī)只適合用作常規(guī)教學(xué)，幫助學(xué)生理解單片機(jī)基本工作原理。本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)做為主控制器，設(shè)計(jì)并制作16×32點(diǎn)陣屏，不僅提高了學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣，且作為創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目加深了學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的理解。

1 "系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用PC端上位機(jī)通過(guò)串口通信控制下位機(jī)的方式進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的顯示。通過(guò)PC端發(fā)送顯示方式的控制命令及顯示內(nèi)容的16進(jìn)制字模編碼，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)內(nèi)容的顯示。

由于下位機(jī)是8位系統(tǒng)，為節(jié)約資源顯示采用了行列掃描的動(dòng)態(tài)顯示方式，且通過(guò)列線(xiàn)擴(kuò)展本系統(tǒng)可以方便地構(gòu)成多塊點(diǎn)陣的大屏幕顯示。本系統(tǒng)只占用少量I/O口資源，為后續(xù)升級(jí)預(yù)留了空間，系統(tǒng)整體方案如圖1所示。

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圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 "硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 "下位機(jī)單片機(jī)選擇

單片機(jī)是下位機(jī)系統(tǒng)的核心器件，也是整個(gè)顯示系統(tǒng)的核心控制部分。單片機(jī)的任務(wù)是和上位機(jī)進(jìn)行通信，并處理上位機(jī)發(fā)送的控制命令和顯示的具體內(nèi)容，再通過(guò)合適的掃描顯示方式經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣屏顯示[2]，因此單片機(jī)的性能直接決定了該顯示系統(tǒng)的先進(jìn)程度。目前作為教學(xué)，51系列的單片機(jī)是各大院校教學(xué)首選，通過(guò)學(xué)習(xí)51單片機(jī)主要讓學(xué)生理解單片機(jī)的片上資源和工作流程，雖此模式從20世紀(jì)90年代持續(xù)到現(xiàn)在，但仍是一個(gè)非常優(yōu)秀的教學(xué)模型。為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，從系統(tǒng)的先進(jìn)性、靈活性、穩(wěn)定性角度出發(fā)，應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生采用更高級(jí)的單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)踐，AVR系列單片機(jī)中的ATmega128單片機(jī)是比較可行的選擇。

ATmega128單片機(jī)的功能基本上是AVR8位單片機(jī)中最強(qiáng)大的一款，學(xué)生掌握了這一款，其他型號(hào)也能觸類(lèi)旁通。

ATmega128單片機(jī)特點(diǎn)如下[4]：

（1） 先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令可在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成;

（2） 128 KB的可編程FLASH ROM，4 KB的E2PROM，4 KB的SRAM;

（3） 通過(guò)JTAG接口對(duì)FLASH、E2PROM的編程;

（4） 通過(guò)設(shè)置寄存器直接PWM輸出;

（5） 8路10位精度的ADC;

（6） 兩個(gè)可編程的通用串行口。

結(jié)合以上優(yōu)點(diǎn)，下位機(jī)系統(tǒng)采用ATmega128能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2.2 "顯示電路設(shè)計(jì)

LED點(diǎn)陣屏由多個(gè)發(fā)光二極管組成，本系統(tǒng)顯示為32×16點(diǎn)陣，分別由2個(gè)16×16點(diǎn)陣模塊擴(kuò)展組成。一個(gè)16×16點(diǎn)陣模塊由四個(gè)8×8 LED基本模塊構(gòu)成，顯示模塊如圖2所示。

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圖2 點(diǎn)陣顯示模塊

由于點(diǎn)陣數(shù)目較多，為節(jié)約資源，本系統(tǒng)采用了行掃描和列掃描的顯示模式。

列掃描電路采用的是串并轉(zhuǎn)換器74LS164[3]，如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來(lái)控制16×16的LED點(diǎn)陣屏顯示，需要32個(gè)端口。而采用譯碼電路后僅僅需要7～9個(gè)端口便可實(shí)現(xiàn)控制顯示，大大減少了I/O口的占用數(shù)目。行驅(qū)動(dòng)電路采用8550PNP三極管，在驅(qū)動(dòng)電路中起到提供驅(qū)動(dòng)電流和選通開(kāi)關(guān)的作用。本系統(tǒng)列掃描驅(qū)動(dòng)電路采用串入并出的通用集成電路74HC595來(lái)作為數(shù)據(jù)鎖存。如圖3所示。74HC595是OD結(jié)構(gòu)的8位CMOS移位寄存器，輸出端具有可控的三態(tài)輸出鎖存結(jié)構(gòu)，不但能用作串入并出，還能串行輸出控制下一級(jí)級(jí)聯(lián)芯片實(shí)現(xiàn)16～32路的擴(kuò)展。

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圖3 列掃描電路的級(jí)聯(lián)

將4片74HC595進(jìn)行級(jí)連，共用同一移位CP及鎖存信號(hào)。于是，當(dāng)?shù)谝恍写@示的內(nèi)容經(jīng)過(guò)64個(gè)移位時(shí)鐘后便可將其全部移入74HC595中，此時(shí)便產(chǎn)生1個(gè)鎖存信號(hào)，用來(lái)將數(shù)據(jù)鎖在74HC595中，并在使能信號(hào)作用下，將串行輸入的數(shù)據(jù)并行輸出。由行掃描控制電路產(chǎn)生的信號(hào)使第1行LED導(dǎo)通，相當(dāng)于第1行LED的陽(yáng)極都接1，因此第1行LED管的亮滅取決于74HC595中的鎖存信號(hào)。在第1行LED點(diǎn)亮的同時(shí)，再在74HC595中移入第2行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，同時(shí)由行掃描控制電路將第1行LED陽(yáng)極接0關(guān)閉而接通第2行，使第2行LED做好點(diǎn)亮的準(zhǔn)備，如此循環(huán)，當(dāng)?shù)?6行掃描過(guò)后再回到第1行，只要掃描的頻率能克服人眼的視覺(jué)殘留，就可形成一幅完整的文字或圖像。

2.3 "通信電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)串行口進(jìn)行通信，ATmega128單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)可編程的通用串行口，本系統(tǒng)只需一個(gè)即可，只占用兩根口線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)通信，為了實(shí)現(xiàn)PC到單片機(jī)的通信，必須再加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，由于本系統(tǒng)通信距離不是很遠(yuǎn)，故選用RS 232標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口，因此電平轉(zhuǎn)換器采用MAX 232實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS 232電平的雙向轉(zhuǎn)換。通信電路如圖4所示[5]。

3 "軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)功能包括了上位PC機(jī)的顯示內(nèi)容的發(fā)送、下位機(jī)控制點(diǎn)陣屏輸出及與PC的通信。

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圖4 串行通信電平轉(zhuǎn)換電路

3.1 "上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了縮短開(kāi)發(fā)周期，在測(cè)試階段將待顯示的內(nèi)容通過(guò)字模軟件轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制代碼串，上位機(jī)采用串口調(diào)試助手即可進(jìn)行串口通信。在與下位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，雙方都必須嚴(yán)格遵守相同的數(shù)據(jù)幀格式和波特率[6]。本系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)數(shù)據(jù)的幀格式為1幀10位，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，發(fā)送時(shí)低位在前，高位在后。

3.2 "下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

AVR單片機(jī)主程序開(kāi)始以后，首先是系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括設(shè)置串口通信的方式和波特率、設(shè)置定時(shí)器和中斷方式;然后以“從右移入滾動(dòng)”效果顯示文字。由于單片機(jī)沒(méi)有停機(jī)指令，所以可以設(shè)置系統(tǒng)程序不斷的循環(huán)執(zhí)行上述顯示效果，程序流程如圖5所示。

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圖5 下位機(jī)子程序流程

8×8單元顯示屏接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級(jí)顯示模塊單元中，因此顯示板可擴(kuò)展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容，顯示子程序流程如圖6所示。

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圖6 顯示驅(qū)動(dòng)流程

以顯示功能為例，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

void display（） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "http://顯示子函數(shù)

{

unsigned char i，ia，j，tmp;

DATAOUT=0XFF; " " " " //置位高電平做準(zhǔn)備

AB=0; " " " " " "http://將行數(shù)據(jù)位清0，準(zhǔn)備移位

for（i=0;ilt;16;i++）

{ " " " " " " " " " " " " " " " " " //16行數(shù)據(jù)循環(huán)輸出

SCK=0; " " " " " " " " //為行移位做準(zhǔn)備

SCLT=0; " " " " "http://為列鎖存做準(zhǔn)備

for（ia=4;iagt;0;）

{ " " " " " " " " " " " " //每行32個(gè)點(diǎn)，循環(huán)位移4 B

ia??; " " " " " " " " " " " " " nbsp; " " //循環(huán)4次

tmp=～cache[i*2+ia];

for（j=0;jlt;8;j++）

{ " " " " " " " " " " " "http://循環(huán)兩次，每次移1 B，

SCLH=0; " //為列移位做準(zhǔn)備

DATA=tmpamp;0x01;

tmpgt;gt;=1;

//將數(shù)據(jù)緩沖右移一位，為下次輸出做準(zhǔn)備

SCLH=1; //將DATA上的數(shù)據(jù)移入寄存器

} " //移入單字節(jié)結(jié)束

} " " " " " " "http://移入2 B結(jié)束

SCK=1;

SCLT=1;

AB=1;

}

j=32;

while（j??）;

SCK=0;

SCK=1; " " " " " " " " "http://將最后1行數(shù)據(jù)移出

}

4 "結(jié) "語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以AVR單片機(jī)為核心控制器，在上位機(jī)的發(fā)送命令下能實(shí)現(xiàn)32×16的點(diǎn)陣屏動(dòng)態(tài)顯示，系統(tǒng)整體運(yùn)行效果良好，顯示穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。下位機(jī)MCU采用Atmega128單片機(jī)，程序編寫(xiě)的靈活性和穩(wěn)定性?xún)?yōu)于51單片機(jī)，對(duì)高職學(xué)生的大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新有較高的實(shí)踐價(jià)值。

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