毕业设计,基于单片机的led显示

1、 本文由资讯系贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 郑州大学 点阵 LED 的大屏幕显示 学 号： 学生姓名： 学生姓名： 专 业： 指导老师： 指导老师： 提交时间： 提交时间： 单片机控制的点阵 LED 大屏幕显示 毕 业 设 计 (论 文 )中 文 摘 要 摘 要 ： 单 片 机 控 制 LED 显 示 器 视 是 解 决 LED 显 示 的 一 种 方 案 ， 它具有造价低廉、控制方便、软件化程度高的特点。单片微型 计算机简称位单片机。他是一块芯片上集成了中央处理器 （ CPU） 、 存 储 器 （ RAM/ROM） 、 定 时 器

2、 /计 算 器 和 各 种 输 入 、 输 出（ I/O）接 口（ 如 并 行 I/O 口 、串 行 I/O 口 和 A/D 转 换 器 ）等 。 可见单片机就是一台电脑，由于单片机原来就是实现实时而设 计制造的，因此，又称为微控制器。 本文论诉的是以单片机为核心器件，并辅以其它电器元 件，用以实现各种滚动显示功能。并着重论述了行列驱动 的问题，提出具体的解决方案 关 键 字 ： LED 点 阵 AT89C51 行驱动 列驱动 毕 业 设 计 (论 文 )外 文 摘 要 Title: Large screen display software part that the monolithic

3、machine controls Abstract: The LED display the monolithic machine is controlled looks at the characteristic being that the cheap , under the control of convenient , software-rization degree resolving one kind of scheme that LED demonstrates , its having cost of construction is high. Monolithic micro

4、computer shorter form place monolithic machine. He is that a piece of chip fixes integrated central authority processor (CPU) , memory (RAM/ROM) , timer/ calculator and various importing the interface (if parallel I/O does the I/O mouth and the A/D converter , string) , exporting (I/O) and so on. Be

5、 called tiny controller therefore It can be seen that the monolithic machine is one computer , designs fabrication's intermittently since the monolithic machine is to realize reality in the first place. Being the main body of a book is commented on appealing is with monolithic machine Key words:

6、 The lattice AT89C51 line drive column drives LED 目录： 引 言 1 第一章 概 述 2 单 片 微 机 计 算 机 简 介 2 第一节 1.1.1 单 片 机 的 特 点 2 1.1.2 单 片 机 的 起 源 及 发 展 过 程 与 趋 势 3 1.1.3 单 片 机 的 应 用 3 1.1.4 单 片 机 的 按 键 扫 描 技 术 6 第二节 LED 电 子 显 示 屏 6 1.2.1 LED 电 子 显 示 屏 概 述 6 1.2.2 LED 电 子 显 示 屏 工 作 原 理 7 第二章 系 统 的 硬 件 电 路 的 分 析 10

7、 单 片 机 硬 件 设 计 的 参 数 影 响 10 电 子 显 示 屏 电 路 16 第一节 第二节 第三章 系 统 的 软 件 程 序 设 计 17 主 程 序 的 功 能 说 明 17 键 盘 工 作 原 理 20 中 断 程 序 说 明 24 子 程 序 说 明 28 第一节 第二节 第三节 第四节 结 论 29 致 谢 语 29 引 用 文 献 30 引 言 随 着 电 子 技 术 的 迅 速 发 展 ，特 别 是 随 大 规 模 集 成 电 路 产 生 而 出 现 的 微 型 计 算 机 ，给 人 类 生 活 带 来 了 根 本 性 的 改 变 。如 果 说 微 型 计 算 机

8、的 出 现 使 现 代 科 学 研 究 得 到 了 质 的 飞 跃 ，那 么 可 以 毫 不 夸 张 他 说 ，单 片 机 技 术 的 出 现 则 是 给 现 代 工 业 测 控 领 域 带 来 了 一 次新的技术革命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比， 在 工 业 控 制 系 统 、数 据 采 集 系 统 、智 能 化 仪 器 仪 表 、办 公 自 动 化 等 诸 多 领 域 得 到 极 为 广 泛 的 应 用 ，并 已 走 人 家 庭 ，从 洗 衣 机 、微 波 炉 到 音 响 、汽 车 ，到 处 都 可 见 到 单 片 机 的 踪 影 。因 此 ，单 片 机 技术开发和应用水平已逐

9、步成为一个国家工业发展水平的标志 之一。 由 于 单 片 机 技 术 在 各 个 领 域 正 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 ，世 界 上 许 多 集 成 电 路 生 产 厂 家 相 继 推 出 了 各 种 类 型 的 单 片 机 ，在 单 片 机 家 族 的 众 多 成 员 中 ，M C S - 5 1 系 列 单 片 机 以 其 优 越 的 性 能 、成 熟 的 技 术 及 高 可 靠 性 和 高 性 能 价 格 比 ，迅 速 占 领 了 工 业 测 控 和 自 动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。 目 前 ， 可 用 于 MCS-51 系 列 单 片 机 开

10、发 的 硬 件 越 来 越 多 ， 与 其 配 套 的 各 类 开 发 系 统 、各 种 软 件 也 日 趋 完 善 ，因 此 ，可 以 极 方 便 地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。 半 导 体 发 光 二 极 管 ( L E D ) ，是 指 在 半 导 体 P N 结 通 以 正 向 电 流 时 能 发 光 的 半 导 体 显 示 器 件 。它 具 有 寿 命 长 、功 耗 低 、体 积 小 、 多 色 显 示 、工 作 温 度 稳 定 性 好 ，响 应 时 间 快 等 优 点 ，已 广 泛 用 于 各种仪器仪表、计算机、家用电器等领域，也可用于光纤通信、 信息处理和自动

11、控制。 随 着 技 术 的 发 展 ，L E D 显 示 得 到 了 日 益 广 泛 的 应 用 ，将 单 色 或 彩 色 发 光 二 极 管 排 列 成 矩 阵 板 即 构 成 LED 显 示 屏 ， 利 用 单 片 机 或 微机来进行控制，使显示内容变得丰富多彩。 第一章 概述 第一节 单片微机计算机简介 1.1.1 单 片 机 单 片 机 是 在 一 块 半 导 体 硅 片 上 集 成 了 微 处 理 器（ CPU），存 储 器 （ R A M ，R O M ，E P R O M ）和 各 种 输 入 输 出 接 口（ 定 时 器 | 计 数 器 ， 并 行 I|O 口 ， 串 行 口

12、， A|D 转 换 器 及 脉 宽 调 制 器 PWM 等 ） ， 这 样 一 块 集 成 电 路 芯 片 具 有 一 台 计 算 机 的 属 性 ，因 而 被 称 为 单 片 微 型计算机，简称单片机。 单 片 机 主 要 应 用 于 测 控 领 域 ，单 片 机 按 照 其 用 途 可 分 为 通 用型和专用型两大类。 通 用 型 单 片 机 具 有 比 较 丰 富 的 内 部 资 源 ，性 能 全 面 且 适 应 性 强 ，可 满 足 多 种 应 用 需 求 。用 户 可 根 据 实 际 需 要 ，充 分 利 用 单 片 机 的 内 部 资 源 ，设 计 一 个 以 通 用 单 片 机

13、芯 片 为 核 心 ，再 配 以 外 部 接口电路及其它外围设备，来满足各种不同需要的测控系统。 然 而 ，有 许 多 应 用 时 使 用 专 门 针 对 某 些 产 品 的 特 定 用 途 而 制 作 的 单 片 机 。例 如 ，打 印 机 、家 用 电 器 以 及 各 种 通 讯 设 备 中 的 专 用 单 片 机 等 。这 种 应 用 的 最 大 的 特 点 是 针 对 性 强 且 数 量 巨 大 。为 此 ，单 片 机 芯 片 制 造 商 常 与 厂 家 合 作 ，设 计 和 生 产 专 用 的 单 片 机 芯 片 ，这 种 专 用 的 单 片 机 芯 片 是 为 特 定 产 品 或

14、某 种 测 控 应 用 而 专 门 进 行 设 计 的 。在 设 计 中 ，已 经 对 系 统 结 构 的 最 简 化 、可 靠 度 和 成 本 的 最 佳 化 等 方 面 都 做 了 全 面 的 考 虑 ，所 以 专 用 的 单 片 机 具 有 十分明显的综合优势，也是今后单片机发展的一个重要方向。 1.1.2 单 片 机 的 起 源 及 发 展 与 趋 势 单 片 机 根 据 其 基 本 的 操 作 处 理 的 位 数 可 分 为 ：1 位 单 片 机 、4 位 单 片 机 、 8 位 单 片 机 、 16 位 单 片 机 和 32 位 单 片 机 。 单片机的发展历史饿分为四个阶段： 第

15、 一 阶 段 （ 1974 年 1976 年 ） 单 片 机 初 级 阶 段 。 因 工 艺 限 ： 制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。 第 二 阶 段 （ 1976 年 1978 年 ） 低 性 能 单 片 机 阶 段 。 ： 第 三 阶 段 （ 1978 年 1982 年 ） 高 性 能 单 片 机 阶 段 。 ： 第 四 阶 段 （ 1982 年 现 在 ） 8 位 单 片 机 巩 固 发 展 及 16 位 单 ： 片 机 、 32 位 单 片 机 推 出 阶 段 。 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装 化 等 方 面 发 展 。为 满 足 不 同 的 用 户

16、要 求 ，各 公 司 竞 相 推 出 能 满 足 不同需求的产品。 1. CPU 的 改 进 （ 1） 采 用 CPU 结 构 ， 以 提 高 处 理 能 力 。 （ 2） 增 加 数 据 线 宽 度 ， 单 片 机 内 部 采 用 16 位 数 据 总 线 ， 其数据处理明显优于一般 8 位单片机 （ 3） 串 行 结 构 。 2. 存 储 器 的 发 展 （ 1） 加 大 存 储 容 量 。 （ 2） 片 内 EPRROM 采 用 E2PROM 或 闪 存 存 储 器 。 （ 3） 程 序 保 密 化 。 3. 片 内 I|O 的 改 进 （ 1） 增 加 并 行 口 的 驱 动 能 力

17、。 （ 2） 增 加 I|O 口 的 逻 辑 控 制 功 能 （ 3） 有 些 单 片 机 设 置 了 一 些 特 殊 的 串 行 接 口 功 能 为 构 成 分 布式、网络化系统提供了方便。 4. 外 围 电 路 内 装 化 随 着 集 成 电 路 技 术 及 工 艺 的 不 断 发 展 ，能 装 入 片 内 的 外 围 电路也可以是大规模的，把所需的外围电路全部装入单片 机内，即系统的单片化是目前单片机发杂很难趋势之一。 5. 低 功 耗 化 1.1.3 单片机的应用 单片机有以下特点 （ 1） 小 巧 灵 活 、 成 本 低 、 易 于 产 品 化 。 （ 2） 可 靠 性 好 ， 适

18、应 温 度 范 围 宽 。 （ 3） 易 扩 展 ， 很 容 易 构 成 各 种 规 模 的 应 用 系 统 ， 控 制 功 能 强。 （ 4） 可 以 方 便 的 实 现 多 机 和 分 布 式 控 制 系 统 。 单片机的应用范围很广，在以下的各个领域中得到了广泛的 应用。 1 工 业 自 动 化 2 智 能 仪 器 仪 表 3 消 费 类 电 子 产 品 4 通 信 方 面 5 武 器 装 备 6 终 端 及 外 部 设 备 控 制 7 多 机 分 布 式 系 统 综上所述，从工业自动化、智能仪器仪表、家用电器 方面等，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着重大的 作用。 1.1.4. 单

19、 片 机 的 按 键 扫 描 技 术 扫 描 法 是 在 判 定 有 键 按 下 后 逐 列 果 行（ 或 列 ）的 状 态 出 现 非 全 1 状 态 ，如 果 行（ 或 列 ）的 状 态 出 现 非 全 1 状 态 ，这 时 0 状 态 的行、列交点的键就是所按下的键。 扫 描 法 的 特 点 是 逐 行（ 或 逐 列 ）扫 描 查 询 ，这 时 相 应 行（ 或 列 ）应 有 上 拉 电 阻 接 高 电 平 。行 列 式 键 盘 扫 描 程 序 就 是 采 用 扫 描 法 来 确 定 哪 个 键 按 下 的 ，图 1 中 行 线 上 拉 电 阻 接 5 V ，列 线 逐 列 扫描。 逐行

20、（或列）扫描查询法。 确 定 矩 阵 式 键 盘 上 哪 个 键 被 按 下 时 运 用 扫 描 法 ，又 称 为 逐 行 （ 或 列 ）扫 描 查 询 法 ，是 一 种 最 常 用 的 按 键 识 别 方 法 ，过 程 如 下 。 · 判 断 键 盘 中 有 无 键 按 下 ，将 全 部 行 线 Y 0 Y 3 置 低 电 平 ， 然 后 检 测 列 线 的 状 态 。只 要 有 一 列 的 电 平 为 低 ，则 表 示 键 盘 中 有 键 被 按 下 ，而 且 闭 合 的 键 位 于 低 电 平 线 与 4 根 行 线 相 交 叉 的 4 个 按键之中。若所有列线均为高电平，则键

21、盘中无键按下。 · 判断闭合键所在的位置，在确认有键按下后，即可进入 确 定 具 体 闭 合 键 的 过 程 。其 方 法 是 ：依 次 将 行 线 置 为 低 电 平 ，即 在 置 某 根 行 线 为 低 电 平 时 ，其 他 线 为 高 电 平 ，在 确 定 某 根 行 线 位 置 为 低 电 平 后 ，再 逐 行 检 测 各 列 线 的 电 平 状 态 ，若 某 列 为 低 ，则 该列线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按键。 反转法。 扫 描 法 要 逐 列（ 行 ）扫 描 查 询 ，当 按 下 的 键 在 最 后 行（ 列 ） ， 要 经 过 多 次 扫 描 才 能

22、获 得 键 值 键 号 。而 反 转 法 只 要 经 过 两 个 步 骤 就 可 获 得 键 值 ， 原 理 如 图 2.1 所 示 。 图 2.1 线反转法原理 一般的的按键是机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用， 按键闭合后不会马上稳定地接通，断开后也不是马上稳定地断 开 ，在 闭 合 和 断 开 的 瞬 间 都 会 产 生 一 些 抖 动 。通 常 情 况 下 抖 动 时 间 为 5ms10ms， 而 按 键 稳 定 闭 合 时 间 大 概 在 100ms 以 上 。 利 用 按 键 稳 定 闭 合 与 按 键 中 的 抖 动 时 间 较 大 差 别 ，就 可 以 采 用 硬 件 或 软

23、件 的方式处理。 第二节 LED 电 子 显 示 屏 1.2.1 LED 电 子 显 示 概 述 L E D 电 子 显 示 屏 是 新 型 信 息 显 示 媒 体 ，集 电 子 技 术 、光 电 子 技 术 、计 算 机 技 术 、信 息 处 理 技 术 于 一 体 ，以 其 色 彩 鲜 艳 ，使 用 范 围 广 ，亮 度 高 ，寿 命 长 ，工 作 稳 定 可 靠 等 优 点 ，广 泛 应 用 于 商 业广告、体育场馆、港口机场、客运站、高速公路、新闻发布、 证 券 交 易 等 方 面 。 led 显 示 屏 利 用 发 光 二 极 管 构 成 的 点 阵 模 块 或 像 素 单 元 组

24、成 大 面 积 显 示 屏 幕 ，以 环 境 适 应 能 力 强 、性 能 价 格 比 高 、使 用 成 本 低 等 特 点 ，在 短 短 的 十 来 年 中 ，迅 速 成 为 平 板 显 示 领 域 的 主 流 产 品 ，也 是 目 前 国 际 上 比 较 先 进 的 显 示 媒 体 之 一 。下 面我们通过自己制作的一块两字简易显示屏 要 做 好 一 块 显 示 屏 ，好 的 硬 件 电 路 必 不 可 少 ，硬 件 电 路 做 得 好，软件设计就会非常的方便。产品的成功率也高了，现以 Proter99SE 绘 制 PCB 图 为 例 讨 论 硬 件 电 路 的 制 作 。 LED 显 示

25、 器 由于其醒目、 容灵活多变等特点， 经越来越多地应用于广告、 内 已 信 息 发 布 、交 通 指 示 等 公 共 场 所 ，取 得 了 良 好 效 果 。L E D 显 示 屏 主 要 分 为 数 码 显 示 和 点 阵 显 示 两 大 数 ，本 文 只 讨 论 点 阵 显 示 。目 前 的 LED 显 示 屏 基 本 上 都 是 先 由 用 户 提 出 要 求 ， 生 产 厂 这 根 据 需要订做，每次都要重复设计电路和机械结构，造成资源浪费， 而且若用户的需求改变，改动将十分困难。 实 际 上 不 论 显 示 屏 的 大 小 ，其 原 理 都 是 相 同 的 ，因 此 完 全 可 以

26、 设 计 出 一 种 标 准 化 、模 块 化 的 LED 显 示 屏 ，会 对 不 同 的 需 要 ， 只 需 要 得 意 组 合 相 应 的 模 块 即 可 。本 文 介 绍 的 就 是 一 种 模 块 化 的 L E D 显 示 屏 ，可 以 根 据 需 要 灵 活 改 变 大 小 ，并 可 以 脱 离 计 算 机 独 立 运 行 ，还 可 以 实 现 如 闪 烁 、滚 动 显 示 等 特 效 。对 整 体 式 显 示 屏 刷 新 率 不 足 发 生 闪 烁 的 常 见 问 题 ，在 这 个 设 计 中 由 于 被 分 割 成 小 模块，不再成为问题。 1.2.2 LED 电 子 显 示

27、 屏 基 本 原 理 基本原理 基本的设计思路是把整个显示屏分成若干相同大小、相同 功 能 的 显 示 模 块 ，而 另 外 用 一 个 中 央 控 制 模 块 控 制 ，同 步 所 有 显 示模块的运行，实现整体协调的显示。 所以本系统主要由两部分组成：显示模块和控制模块。 显 示 模 块 实 际 都 是 相 同 大 小 的 小 L E D 驱 动 板 ，能 够 驱 动 L E D 阵 列 ，具 有 基 本 的 显 示 功 能 ，并 可 以 接 收 来 自 控 制 模 块 的 数 据 和 命 令 ，此 外 一 些 常 用 的 显 示 效 果 如 闪 烁 、滚 动 等 也 包 括 在 显 示

28、模 块 中 。 现 有 国 标 点 阵 汉 字 库 有 16×16 和 24×24 两 种 ， 考 虑 到 软 件 编 写 的 方 便 和 硬 件 的 能 力 ， 我 们 把 显 示 模 块 作 为 16×16 点 阵大小。 控 制 模 块 负 责 控 制 各 显 示 模 块 ，向 各 显 示 模 块 发 送 数 据 和 命 令 。控 制 模 块 储 存 要 显 示 的 点 阵 数 据 信 息 ，定 时 向 各 显 示 模 块 下 传 。控 制 模 块 上 还 带 有 小 键 盘 和 通 用 异 步 串 行 口 ，即 可 以 用 键 盘 操 作 ，也 可 以 用

29、计 算 机 控 制 ，还 可 以 用 计 算 机 更 新 控 制 模 块 内 的 数据。 整个系统的设计使用有很大的自由度：控制模块控制的显 示 模 块 数 量 可 以 改 变 ， 显 示 模 块 的 排 列 方 式 也 可 以 改 变 （ 如 16 个 显 示 模 块 ， 既 可 以 是 2×8 也 可 以 是 4×4） ， 对 同 一 块 显 示 屏 可 以 保 存 若 干 条 件 用 信 息 分 别 显 示 ，每 条 信 息 的 点 阵 大 小 可 以 不 同 ，超 过 屏 幕 大 小 的 信 息 可 以 滚 动 显 示 出 来 。这 样 基 本 可 以 满 足 多种

30、多样的需求。 （ 2） 电 路 结 构 采 用 P I C 1 6 C 7 3 作 为 中 央 控 制 器 。该 单 片 机 内 置 I 2 C 接 口 、 串 行 口 ， 而 且 具 有 比 较 强 的 口 线 驱 动 能 力 （ 每 根 口 线 25mA） ， 使用它可以简化很多外围电路。 数 据 存 储 使 用 两 片 EEPROM： X24256 共 提 供 64K 字 节 的 数 据 空 间 ，可 以 反 复 擦 除 重 定 民 ，掉 电 数 据 不 丢 失 。如 果 全 部 用 来 显 示 16×16 点 阵 的 汉 字 ， 可 以 显 示 2000 个 左 右 。 数

31、据 存 储 器 与 各 个 显 示 模 块 共 用 I2C 总 线 ， 依 靠 各 自 的 地 址 区 分 究 竟 是 存储器还是显示模块。 每 个 显 示 模 块 要 驱 动 一 块 16×16 的 LED 阵 列 ， 由 于 单 片 机 的 口 线 数 量 少 ，使 用 静 态 显 示 是 不 可 能 的 ，这 里 使 用 了 动 态 扫 描 显 示 。 考 虑 到 刷 新 速 度 的 因 素 ， 使 用 16 行 扫 描 刷 新 可 能 会 有 闪 烁 ， 所 以 使 用 8 行 扫 描 、 32 位 数 据 的 方 式 。 显 示 模 块 与 控 制 模 块 用 I2C 总

32、线 相 连 。 由 于 显 示 模 块 的 任 务 只 是 显 示 ， 所 以 不 另 外 增 加 存 储 器 ， 只 有 内 部 的 RAM 单 元 保 存 欲 显 示 的 点 阵 数 据 ， 并 不 停 地 扫 描 显 示 到 LED 阵 列 上 。 诸 如 滚 动 、闪 烁 等 显 示 效 果 只 是 对 显 示 数 据 做 额 外 处 理 ，如 滚 动 显 示 实 际 对 应 数 据 的 移 位 操 作 。这 些 功 能 也 编 写 在 显 示 模 块 中 ，由 控 制模块发送命令激活这些功能。 此 外 需 说 明 的 是 ， 显 示 模 块 的 驱 动 电 路 与 LED 阵 列 可

33、 以 看 作 分 离 的 两 部 分 ，只 要 在 驱 动 电 路 的 驱 动 能 力 范 围 内 ，可 以 使 用 发 光 单 元 不 同 的 L E D 阵 列 ，如 1 个 发 光 单 元 仅 为 1 个 L E D 的 小 型 显 示 牌 或 者 1 个 发 光 单 元 包 括 5 7 个 LED 的 大 型 显 示 牌 等 。 （ 3） 软件设计 本 系 统 的 软 件 包 括 一 个 部 分 ： 显 示 模 块 、 控 制 模 块 和 PC 机 。 显 示 模 块 的 软 件 主 要 包 括 扫 描 显 示 、 特 效 处 理 和 I2C 通 信 三 部 分 。 三 显 示 模 块

34、 CPU 的 RAM 中 开 辟 出 32 字 节 作 为 显 示 缓 冲 区 ，扫 描 显 示 程 序 只 是 定 时 从 显 示 缓 冲 区 中 取 数 据 发 往 移 动 寄 存 器 ，并 设 置 相 对 应 的 扫 描 线 ，实 现 一 次 扫 描 。扫 描 显 示 并 不 识 别缓冲区里的数据是什么。扫描是利用了人眼的图象滞留效果， 如 果 扫 描 频 率 达 到 60Hz 以 上 ， 对 扫 描 频 率 的 波 动 就 不 大 敏 感 了 ，所 以 这 里 的 扫 描 显 示 程 序 没 有 使 用 定 时 器 中 断 ，仅 由 循 环 完 成。 控 制 模 块 程 序 包 括 与

35、 显 示 模 块 的 I2C 通 信 ， 与 EEPROM 的 I2C 通 信 ，与 计 算 机 的 串 行 通 信 ，数 据 的 地 址 计 算 ，外 界 光 强 度 检测几个部分。 如果是静态显示，则控制模块仅接收到命令后传送一次数据 就进入空闲等待：如果是闪烁、滚动等显示，则需要定时从 EEPROM 中 取 数 据 发 生 各 显 示 模 块 。 PC 机 部 分 的 程 序 主 要 是 点 阵 编 辑 功 能 和 RS232 通 信 功 能 。 点阵编辑不仅可以写各种字体的字符，还可以绘制简单图形； RS232 通 信 不 仅 包 括 所 有 可 以 用 键 盘 实 现 的 功 能 外

36、 ， 还 可 以 直 接 在 显 示 屏 上 显 示 图 形 而 不 用 先 保 存 到 控 制 模 块 中 ，实 现 即 时 的 信息发布。 本 系 统 对 常 用 的 LED 大 屏 幕 显 示 装 置 作 了 规 范 化 、 模 块 化 的有益尝试，并已应用在交通状况显示场合，取得了良好效果， 证明该设计是合理可行的。由于设计时为使用保留了很大自由 芳 ，使 得 它 可 以 灵 活 组 合 运 用 于 各 种 不 同 需 求 的 场 合 ，而 不 必 重 复 设 计 ，有 效 节 约 了 资 源 。由 于 最 初 本 系 统 对 应 一 个 比 较 小 的 显 示 屏 ， 怕 以 选 用

37、 了 I2C 总 线 ， 如 果 要 做 相 当 大 的 显 示 零 还 可 以 换 成 RS485 等 总 线 ， 提 供 更 大 的 扩 展 余 地 。 此 外 基 于 这 个 设 计 思 路 ， 还 可 以 进 一 步 开 发 彩 色 LED 大 屏 幕 显 示 屏 等 产 品 。 第二章 单片机系统硬件设计 1.1.1.单 片 机 硬 件 设 计 的 参 数 影 响 随 着 单 片 机 的 频 率 和 集 成 度 、单 位 面 积 的 功 率 及 数 字 信 号 速 度 的 不 断 提 高 ，而 信 号 的 幅 度 却 不 断 降 低 ，原 先 设 计 好 的 、使 用 很稳定的单片机

38、系统， 在可能出现莫名其妙的错误， 析原因， 现 分 又 找 不 出 问 题 所 在 。另 外 ，由 于 市 场 的 需 求 ，产 品 需 要 采 用 高 速 单片机来实现，设计人员如何快速掌握高速设计呢? 硬 件 设 计 包 括 逻 辑 设 计 和 可 靠 性 的 设 计 。逻 辑 设 计 实 现 功 能 。硬 件 设 计 工 程 师 可 以 直 接 通 过 验 证 功 能 是 否 实 现 ，来 判 定 是 否 满 足 需 求 。这 方 面 的 资 料 相 当 多 ，这 里 就 不 叙 述 了 。硬 件 可 靠 性 设 计 ， 主要表现在电气、热等关键参数上。我将这些归纳为特性阻抗、 SI、

39、 PI、 EMC、 热 设 计 等 5 个 部 分 。 1 特性阻抗 在 高 频 情 况 下 ，印 制 板（ P C B ）上 传 输 信 号 的 铜 导 线 可 被 视 为 由 一 连 串 等 效 电 阻 及 一 并 联 电 感 所 组 合 而 成 的 传 导 线 路 ，如 图 1 所 示 。只 考 虑 杂 散 分 布 的 串 联 电 感 和 并 联 电 容 的 效 应 ，会 得 到 以 下公式： 在 PCB 的 特 性 阻 抗 设 计 中 ， 微 带 线 结 构 是 最 受 欢 迎 的 ， 因 而 得 到 最 广 泛 的 推 广 与 应 用 。最 常 使 用 的 微 带 线 结 构 有 4

40、 种 ：表 面 微 带 线 （ surface microstrip） 、 嵌 入 式 微 带 线 （ embedded m i c r o s t r i p ）、带 状 线（ s t r i p l i n e ）、双 带 线（ d u a l - s t r i p l i n e ）。 下 面 只 说 明 表 面 微 带 线 结 构 ，其 它 几 种 可 参 考 相 关 资 料 。表 面 微 带线模型结构如图 2 所示。 Z0 的 计 算 公 式 如 下 ： 对 于 差 分 信 号 ， 其 特 性 阻 抗 Zdiff 修 正 公 式 如 下 ： 公式中： PCB 基 材 的 介 电 常

41、 数 ； b PCB 传 输 导 线 线 宽 ； d1 PCB 传 输 导 线 线 厚 ； d2 PCB 介 质 层 厚 度 ； D 差 分 线 对 线 边 沿 之 间 的 线 距 。 2 信 号 完 整 性 （ SI） SI 是 指 信 号 在 电 路 中 以 正 确 的 时 序 和 电 压 作 出 响 应 的 能 力 。 如 果 电 路 中 的 信 号 能 够 以 要 求 的 时 序 、持 续 时 间 和 电 压 幅 度 到 达 IC，则 该 电 路 具 有 较 好 的 信 号 完 整 性 。反 之 ，当 信 号 不 能 正 常 响 应 时 ，就 出 现 了 信 号 完 整 性 问 题 。

42、从 广 义 上 讲 ，信 号 完 整 性 问 题 主 要 表 现 为 5 个 方 面 ：延 迟 、反 射 、串 扰 、同 步 切 换 噪 声 和 电 磁 兼容性。 由 于 PCB 板 上 的 任 何 两 个 器 件 或 导 线 之 间 都 存 在 互 容 和 互 感 ， 因 此 ，当 一 个 器 件 或 一 根 导 线 上 的 信 号 发 生 变 化 时 ，其 变 化 会 通 过 互 容 和 互 感 影 响 其 它 器 件 或 导 线 ，即 串 扰 。串 扰 的 强 度 取 决 于 器件及导线的几何尺寸和相互距离。 时 钟 抖 动 （ clock jitter） ， 是 由 每 个 时 钟 周

43、 期 之 间 不 稳 定 性 抖 动 而 引 起 的 。 一 般 由 于 PLL 在 时 钟 驱 动 时 的 不 稳 定 性 引 起 ， 同时，时钟抖动引起了有效时钟周期的减小。 串 扰（ crosstalk）。邻 近 的 两 根 信 号 线 ，当 其 中 的 一 根 信 号 线 上 的 电 流 变 化 时 （ 称 为 aggressor， 攻 击 者 ） ， 由 于 感 应 电 流 的 影 响 ， 另 外 一 根 信 号 线 上 的 电 流 也 将 引 起 变 化 （ 称 为 victim， 受害者）。 3 电 源 完 整 性 PI 电子噪声，指电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信 号。

44、 地 弹 噪 声 。 当 PCB 板 上 的 众 多 数 字 信 号 同 步 进 行 切 换 时 (如 CPU 的 数 据 总 线 、 地 址 总 线 等 )， 由 于 电 源 线 和 地 线 上 存 在 阻 抗 ， 会 产 生 同 步 切 换 噪 声 ， 在 地 线 上 还 会 出现 地 平 面 反 弹 噪 声 (简 称 地 弹 ) 。S S N 和 地 弹 的 强 度 也 取 决 于 集 成 电 路 的 I / O 特 性 、P C B 板 电 源 层 和 地 平 面 层 的 阻 抗 以 及 高 速 器 件 在 PCB 板 上 的 布 局 和 布 线 方 式 。负 载 电 容 的 增 大

45、、负 载 电 阻 的 减 小 、地 电 感 的 增 大 、同 时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。 回流噪声。只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工 作 。这 样 ，每 条 信 号 线 上 的 电 流 势 必 要 找 一 个 路 径 ，以 从 末 端 回 到 源 端 。一 般 会 选 择 与 之 相 近 的 平 面 。由 于 地 电 平 面（ 包 括 电 源 和 地 ）分 割 ，例 如 地 层 被 分 割 为 数 字 地 、模 拟 地 、屏 蔽 地 等 ，当 数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。 断 点 ，是 信 号 线 上 阻 抗 突 然 改 变 的 点 。如 用 过

46、 孔（ via）将 信 号 输 送 到 板 子 的 另 一 侧 ，板 间 的 垂 直 金 属 部 分 是 不 可 控 阻 抗 ，这 样的部分越多，线上不可控阻抗的总量就越大。这会增大反射。 还 有 ，从 水 平 方 向 变 为 垂 直 方 向 的 9 0 ° 的 拐 点 是 一 个 断 点 ，会 产 生反射。如果这样的过孔不能避免，那么尽量减少它的出现。 在一定程度上，我们只能减弱因电源不完整带来的系列不良 结 果 ，一 般 会 从 降 低 信 号 线 的 串 绕 、加 去 耦 电 容 、尽 量 提 供 完 整 的接地层等措施着手。 4 EMC EMC 包 括 电 磁 干 扰 和 电

47、 磁 抗 干 扰 两 个 部 分 。 一 般 数 字 电 路 EMS 能 力 较 强 ， 但 是 EMI 较 大 。 电 磁 兼 容 技 术 的 控 制 干 扰 ，在 策 略 上 采 用 了 主 动 预 防 、整 体 规 划 和 “ 对 抗 ” 与 “疏导”相结合的方针。 主 要 的 EMC 设 计 规 则 有 ： 20H 规 则 。 PowerPlane（ 电 源 平 面 ） 板 边 缘 小 于 其 与 GroundPlane（ 地 平 面 ） 间 距 的 20 倍 。 接 地 面 处 理 。 接 地 平 面 具 有 电 磁 学 上 映 象 平 面 (ImagePlane) 的 作 用 。若

48、 信 号 线 平 行 相 邻 于 接 地 面 ，可 产 生 映 像 电 流 抵 消 信 号 电 流 所 造 成 的 辐 射 场 。 PCB 上 的 信 号 线 会 与 相 邻 的 接 地 平 面 形 成 微 波 工 程 中 常 见 的 Micro-strip Line（ 微 带 线 ） 或 Strip Line （ 带 状 线 ）结 构 ，电 磁 场 会 集 中 在 PCB 的 介 质 层 中 ，减 低 电 磁 辐 射。 因 为 ， Strip Line 的 EMI 性 能 要 比 Micro-strip Line 的 性 能 好 。 所 以 ， 一 些 辐 射 较 大 的 走 线 ， 如 时

49、 钟 线 等 ， 最 好 走 成 Strip Line 结 构 。 混 合 信 号 PCB 的 分 区 设 计 。 第 一 个 原 则 是 尽 可 能 减 小 电 流 环 路 的 面 积 ；第 二 个 原 则 是 系 统 只 采 用 一 个 参 考 面 。相 反 ，如 果 系 统 存 在 两 个 参 考 面 ，就 可 能 形 成 一 个 偶 极 天 线 ；而 如 果 信 号 不 能 通 过 尽 可 能 小 的 环 路 返 回 ，就 可 能 形 成 一 个 大 的 环 状 天 线 。对 于 实 在 必 须 跨 区 的 情 况 ，需 要 通 过 ，在 两 区 之 间 加 连 接 高 频 电 容 等

50、 技术。 通 过 PCB 分 层 堆 叠 设 计 控 制 EMI 辐 射 。 PCB 分 层 堆 叠 在 控 制 E M I 辐 射 中 的 作 用 和 设 计 技 巧 ，通 过 合 适 的 叠 层 也 可 以 降 低 E M I 。 降 低 EMI 的 机 箱 设 计 。 实 际 的 机 箱 屏 蔽 体 由 于 制 造 、 装 配 、 维 修 、散 热 及 观 察 要 求 ，其 上 一 般 都 开 有 形 状 各 异 、尺 寸 不 同 的 孔 缝 ，必 须 采 取 措 施 来 抑 制 孔 缝 的 电 磁 泄 漏 。一 般 来 说 ，孔 缝 泄 漏 量 的 大 小 主 要 取 决 于 孔 的

51、面 积 、孔 截 面 上 的 最 大 线 性 尺 寸 、频 率及孔的深度。 5 热设计 电子元件密度比以前高了很多，同时功率密度也相应有了增 加 。由 于 电 子 元 器 件 的 性 能 会 随 温 度 发 生 变 化 ，温 度 越 高 其 电 气 性能会越低。 (1)数 字 电 路 散 热 原 理 半导体器件产生的热量来源于芯片的功耗，热量的累积必定 导 致 半 导 体 结 点 温 度 的 升 高 。随 着 结 点 温 度 的 提 高 ，半 导 体 器 件 性能将会下降，因此芯片厂家都规定了半导体器件的结点温度。 在 高 速 电 路 中 ，芯 片 的 功 耗 较 大 ，在 正 常 条 件 下

52、 的 散 热 不 能 保 证 芯 片 的 结 点 温 度 不 超 过 允 许 工 作 温 度 ，因 此 需 要 考 虑 芯 片 的 散 热 问 题 。在 通 常 条 件 下 ，热 量 的 传 递 通 过 传 导 、对 流 、辐 射 3 种 方 式进行。 简单热量传递模型： 热量分析中引入一个热阻参数，类似 于 电 路 中 的 电 阻 。 如 果 电 路 中 的 电 阻 计 算 公 式 为 R= E/I， 则 对 应 的 热 阻 对 应 公 式 为 R = t / P（ P 表 示 功 耗 ， 单 位 W ； t 表 示 温 差 ， 单 位 ） 。 热 阻 的 单 位 为 /W， 表 示 功 率

53、 增 加 1W 时 所 引 起 的 温 升 。考 虑 集 成 芯 片 的 热 量 传 递 ，可 以 使 用 图 5 描 述 的 温 度 计 算模型。 由上所述，可推导出 Tc Tj P× RJC 也 就 是 说 ，当 T c 实 测 值 小 于 根 据 数 据 手 册 所 提 供 数 据 计 算 出 的最大值时，芯片可正常工作。 (2)散 热 处 理 为 了 保 证 芯 片 能 够 正 常 工 作 ， 须 使 Tj 不 超 过 芯 片 厂 家 提 供 必 的 允 许 温 度 。 根 据 Tj=Ta+P×R 可 知 ， 如 果 环 境 温 度 降 低 ， 或 者 功 耗 减

54、少 、 热 阻 降 低 等 都 能 够 使 Tj 降 低 。 实 际 使 用 中 ， 对 环 境 温 度 的 要 求 可 能 比 较 苛 刻 ，功 耗 降 低 只 能 依 靠 芯 片 厂 家 技 术 ，所 以为了保证芯片的正常工作，设计人员只能在降低热阻方面考 虑。 第 二 节 LED 显 示 屏 电 路 U14 U18A CLK1 1 U1 P14 1 P15 2 P16 3 4 5 P17 6 A B C E1 E2 E3 74LS138 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y0 R1

55、4K7 2 7404 VCC Q1 1 11 Y1 R2 4K7 TIP137 9 Q2 D0 3 D1 4 D2 7 D3 8 D4 13 D5 14 D6 17 D7 18 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE CLK 74LS374 D0 D2D3 D5 D1 D4 D6D7 RP1 100 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 2 5 6 9 12 15 16 19 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 3 D1 4 D2 7 D3 8 D4 13 D5 14 D6 17 D7 18 1 11 U15 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6

56、D7 OE CLK 74LS374 D0 D2D3 D5 D1 D4 D6D7 RP3 100 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 2 5 6 9 12 15 16 19 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 3 D1 4 D2 7 D3 8 D4 13 D5 14 D6 17 D7 18 1 11 U16 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE CLK 74LS374 D0 D2 D4 D6 D1 D3 D5 D7 RP4 100 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 2 5 6 9 12 15 16 19 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 3 D1 4 D2 7 D3 8 D4 13 D5 14 D6 17 D7 18 1 11 U17 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE CLK 74LS374 Q Q Q Q Q Q Q Q D0 D2 D4 D D1 D3 D5 Y2 J1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18