多功能LED显示屏控制卡的设计

1、 题 目: 多功能LED显示屏控制卡的设计摘 要随着大规模集成电路和计算机技术的开展，LED显示屏作为一种新兴的显示媒体得到了高速的开展。它与传统的显示媒体相比拟，以其亮度高、显示效果好、故障低、能耗少、显示内容多样、性价比高等优势已广泛应用于各行各业。本系统兼顾同步和异步的特点，被广泛应用于商业广告、体育比赛、交通等诸多领域，成为信息传播的有力工具之一，是目前国际上较为先进的显示媒体。LED控制卡也能应用于交通、汽车、数字图像、网络等新型科学技术中。 关键词：LED显示屏；控制卡；ATMEGA16；RS232接口 1TitleAbstractWith large scale integrat

2、ed circuit and computer technology development, as a kind of new media, the display of the high-speed development quickly. compared with the media traditional, its high brightness, and shows good effect, low energy consumption, and fault display content, high performance-to-price diversity advantage

3、 has been widely used in many fields.According to the led control card and display system specific requirements, access to information, analysis and design scheme concluded. Namely, the system structure, system overall workflow, software design and the control system of serial design.This system is

4、used for control processor ATMEGA16, to outer circuit, use and RS232 interface, computer real-time communication through computer users with special software to show that the content of the format to edit, sending data display card set. After sending it can be controlled the mode display user input

5、automatically. In addition, the software system and LED display also made the system analysis and design, according to the actual application requirements, complete the LED display control system design. And the LED display control card and combine the written procedures to the LED display and make

6、system analysis.This system both synchronous and asynchronous characteristics, It widely used in commercial advertising, sports, transportation and so on. It is a powerful tool for information dissemination, is one of the international advanced display media. Leds control card also can be applied to

7、 transport, automobile, digital image, and network .It is the new science and technology. Keywords: ATMEGA16单片机介绍ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32

8、 个通用I/O 口线，32 个通用工作存放器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比拟模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。3.2.2 ATmega16 引脚功能及介绍端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位 10双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时

9、将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能.端口C(PC7.PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使

10、系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7.PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，那么端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能.RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不

11、能保证可靠复位。XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。ATmega16 引脚电路图如图3.2所示：11 图3.2 ATMEGA16引脚结构图3.2.3 根本AVR硬件线路AVR单片机是增强型内置FLASH的RISC(ReducedInstruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机，硬件采用哈佛(Harward)结构，到达一个时钟周期可以执行一条指令，绝大局

12、部指令都为单周期指令。支持在系统编程ISP，其中MEGA系列还支持在应用编程IAP。内置的FLASH程序存储器可擦写1 000次以上，给用户的开发生产和维护带来方便。可擦写10万次的E2PROM，为掉电后数据的保存带来方便。AVR单片机有丰富的片内资源，如RTC，WATCHDOG，AD转换器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，IO口功能强、驱动能力强。根本的硬件电路包括以下几局部：复位线路、晶振线路、AD转换滤波线路、ISP下载接口、JTAG仿真接口及电源电路。复位线路图如图3.3所示： 12S0RESET图3.3 复位线路Mega16已经晶振电路Mega16已经内置RC振荡线路，可以

13、产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比方要与RS232通信需要比拟精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。早期的90S系列，晶振两端均需要接22pF左右的电容。Mega系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。不过为了线路的标准化，我们仍建议接上。电源电路图如图3.5所示：13图3.5 电源电路AVR单片机最常用的是5V与3.3V两种电压。本线路以开关切换两种电压，并且以双色二极管指示5V时为绿灯，3.3V时为红灯。二极管D1防止用户插错电源极性。D2可以允许用户将电压倒灌入此电路内，不会损坏1117ADJ。其中二极管D1是IN4007是

14、整流管，D2是IN4148是高速开关二极管。1117ADJ的特性为1脚会有50uA的电流输出，12脚会有1.25V电压。利用这个特点，可以计算出输出电压：当SW开关打向左边时，R6上的电流为 1.25/0.33 = 3.78ma 。R8上的电流为1117ADJ 1脚电流加上R6上的电流，即0.05+3.78=3.83ma. 可以计算得R8上的电压为3.84V。 于是得出VCC=1.25+3.83=5.08V。误差在2%以内。当SW开关打向右边时，R6上的电流为 1.25/0.62 = 2.02ma 。R8上的电流为1117ADJ 1脚电流加上R6上的电流，即0.05+2.02=2.07ma.

15、可以计算得R8上的电压为2.07V。 于是得出VCC=1.25+2.07=3.32V。误差在1%以内。使用1%精度的电阻，可以控制整个输出电压误差在3%以内。 14其他的AD转换滤波线路、ISP下载接口及JTAG仿真接口在本设计中不是研究的范围，就先不讨论。3.2.4 74HC595介绍74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位存放器和一个存储器，三态输出功能。 移位存放器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储存放器中去。如果两个时钟连在一起，那么移位存放器总是比存储存放器早一个脉

16、冲。 移位存放器有一个串行移位输入Ds，和一个串行输出Q7,和一个异步的低电平复位，存储存放器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时为低电平，存储存放器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位存放器，具有高阻关断状态。三态。输出能力：并行输出，总线驱动；串行输出；标准中等规模集成电路。引脚电路图如图3.6所示： 图3.6 引脚电路图3.3 控制卡原理图介绍本设计中所用的主芯片为ATmega16， 它的内核具有丰富的指令集和32 个通用工作存放器。所有的存放器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的存放器。它连接着各个芯片和电

17、阻电 15容组成了控制卡原理图，继而控制显示屏的显示。电路原理图如附录图A所示。电路图中使用的74HC00D是2输入端4与非门。用两个74HC245作为存储器来存储信息。电脑的COM口就是标准RS-232接口，它的高电平定义为-12V，而低电平定义为+12V。所以单片机的串口必须经过电平转换才可以和标准RS-232通信，这个转换芯片一般是SP3232。本原理图中的HT1381-SOP是时钟芯片，它有8管脚。而SST25VF010是一个小存储器，可以瞬间记忆某些传输信号。原理图中的74HC595是8位移位存放器。74HC595移位存放器有一个串行移位输入Ds，一个串行输出Q7,和一个异步的低电平

18、复位，存储存放器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时为低电平，存储存放器的数据输出到总线。电路图中的AMS1117的1脚是地，2脚是输出，3脚是输入。输入电压在5V到12V之间都可以，它会直接输出一个3.3V的电压。它的手册里加电阻是可以 让它的输出电压可调，是扩展应用。这个电阻在正常情况下根本就不用加。按它的管脚直接接就行了。3.4 LED显示屏工作原理现在一般把显示图形或文字的LED显示屏称为图文屏，其实LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，这里所谓的图形，是指由单色固定亮度的点阵线条组成的任意图形，其中LED点阵发光器件或发光或熄灭，即只有两种状态。本系统设计正是基于

19、LED图文显示屏实际应用，着重实现LED显示屏的图文编辑及设备驱动。LED显示屏电路图如附录图B所示。电路图中使用了H,R,G三种颜色的显示灯。其中行驱动局部用74HC138译码，将行选通信号作为两个译码器地址输入，可以得到16行的行值信号。74HC138输出引脚仅需要提供几毫安的灌入电流即可控制其通断。列输入驱动由八个8位串行输入，串行或并行输出三态移位存放器74HC595实现。该芯片具有串行输入、并行输出两个独立的时钟信号。输入的数据在串行 16移位时钟上升沿由串行输入端SER 输入到芯片内部串行移位存放器中，同时, SQH端串行输出；在锁存时钟信号RCLK上升沿到来时，芯片将内部串行移位

20、存放器8位数据并行输出。正常工作时，应将复位端SRCLR与使能端RCLK分别接高电平、低电平。单片机输出信号直接与串入并出移位存放器74HC595的锁存器输出端连接。继而可以在显示屏上显示了。 3.4.1 LED显示屏控制系统LED图文显示屏软件系统的功能是实现需要联机动态显示和更新局部或全部LED图文显示屏系统显示内容。动态显示只是对文字显示来说的。在应用软件的支持下，录入的文字实时的由计算机下载给主控制器，并实时进行显示；更新显示内容时，计算机将录入的文字或图形数据下载给主控器，并存入存储器中。录入完毕移去计算机后，将显示更新后的内容；也可由计算机下达命令，显示固化的内容。因此，相应的应用

21、软件主要由主界面、动态显示界面、图象预览界面、串口校验等界面组成。设计的应用软件在Windows操作系统下使用。显示屏控制系统由显示屏控制器和LED显示屏组成。控制系统的逻辑结构框图如下列图3.5所示。移位存放器74HC595移位存放器74HC595移位存放器74HC595.显示屏控制器驱动器74HC245D译码器74HC138驱动器8×8LED1,28×8LED3,4.8×8LED15,16 图3.5 显示系统逻辑结构图3.4.2 主控制界面的工作原理系统采用Windows标准风格的下拉菜单主界面，应该实现如下功能：在窗体菜单栏选择在更新显示内容时的图形、文字的

22、编辑，颜色的选取控制，对于字模的提取与保存的控制以及对于存储的待显示信息的优化处理，动态效果的添加，文件传输前的调整和设备通讯前的设置功能。 173.4.3 效果处理界面原理系统要求满足：将保存后的单屏静态显示效果的信息文件翻开，通过手工设置，确认将要实现如瞬间显示，由左至右滚动显示的效果；可以通过手工添加实 现多屏文件保存成一个文件通过串口传输。图文显示屏的硬件模块根本结构可以分为屏体和控制器两大局部。3.4.4 屏体局部结构与功能屏体局部主要是LED和行列驱动电路构成。不管是图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光。根据屏幕所需的平面面积大小，选择

23、一定数量的LED。像数码管一类的LED显示器件只在需要发光的七段位置上布置LED器件，其它位置都是空白的，因此相对价格比拟廉价。但是，由于数码管显示的信息有限，只有0-9或再扩展到A-F几个字符，这些字符的变化是靠组合7段LED的发光与否实现的。由于段数不多，组合形成的字符也不多。而用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好适宜的数据文件，每个LED发光器件占据数据中的一位，通过对点阵上全部的LED进行控制，在需要该LED器件发光时数据中相应的位填1，否那么填0，这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件，得到

24、满意的显示效果。由于文字的显示点阵格式比拟标准，可以采用现行计算机通用的字库字模，如汉字的宋体、楷体和黑体等多种可供选择的方案；其大小也可以有16*16、24*24、32*32、48*48等不同规格。图文显示屏的颜色，有单色、双色和多色几种。本系统根据实际应用环境采用的是单色图文屏，采用红色的LED点阵单元。对于双色图文屏和多色图文屏来说，在LED点阵的每一个“点上布置两个或多个不同颜色的LED发光器件，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。显示的时候，各个颜色的显示点阵是分开控制的。事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期的效果。每一种颜色的控制方法和单色的完全相

25、同。在显示效果方面，完全可以通过扫描驱动方式实现可以感知的静止不动的效果-静态显示模式；通过随时间变化不断控制刷新显示数据可以实现各种动态显示模式，如闪烁、平 18移、旋转、缩放等，但这里对显示的数据进行的刷新并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。3.4.5 控制器结构与功能由M行N列组成的M*N图文显示屏其LED发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路，而采用多行的同名列共用一套列驱动器。控制电路负责有序的选通各行，在选通每一行之前还要把该行各列的数据准备好。这一行上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。这种时序控制电路，可以由布线逻辑完成，但

26、考虑显示数据的存储和设计的灵活性及通用性，一般都采用单片机实现。3.4.6 控制信号模块各种控制信号用来使显示屏正常工作，包括行选通信号、列数据移位信号、列数据输出锁存器打入信号、产生上下局部在时间上错开的SRCLK信号、清屏信号等。 194 系统分析4.1整体分析LED显示屏系统由软件控制系统、设备主控制器、LED显示点阵、电源等局部组成。系统工作过程：其中软件控制系统主要完成的任务为图文编辑、字模提取与保存、图象预览与文件传输；硬件控制系统中LED点阵主要任务是通过电流控制完成信息显示，存储模块用来接收存储上位机的传输信息，通过单片机的扫描驱动方式的控制对LED点阵行列驱动，实现设备的驱动和接收的图文显示功能。4.2 FY系列异步通讯屏控制系统本设计所用的是FY-A型卡，其指标有：1控制范围：192列×32行(单色)2扫描场频：110HZ3总存储量：1M位4支持1/16扫描、1/4扫描工作模式5其电源控制卡使用5±5%V的直流电源。电源接线柱旁标明了极