单片机在LED显示屏硬件设计应用

　　设计使用宏晶科技的8 位单片机STC12C5A60S2 作为中央控制器， 结合NAND 闪存芯片K9F4008 存储汉字库的8×128 点阵LED 数字屏，该点阵LED 数字屏具有存储信息后离线显示的功能。可应用到多种显示环境，尤其像汽车等移动工具上的脱机显示环境。

　　自上世纪90 年代以来， 随着LED 显示技术设计制造水平的不断提高，LED 数字屏逐渐在生产和生活中大量使用，LED 数字屏以其特有的显示介质， 在大面积， 全天候， 高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED 显示技术发展的十几年中， 新器件和新技术不断采用， 制造成本逐渐降低， 生产分工不断细化， 但大量应用的同时也暴露出LED 显示技术的若干缺陷， 总体上技术尚未成熟， 标准尚未完全建立， 有许多方面值得进行更深入的研究与改进。

　　随着大规模集成电路的迅猛发展， 微处理器的运算、控制能力大大增加， 单片计算机已在很多工业及民用系统中承担智能化的任务， 与迅猛发展的运算速度相比， 其端口扩展能力则逊色得多（ 数目有限且扩展困难）， 因此研发过程中不得不在节省端口上投入大量精力， 目前国内为解决端口扩展问题可采用软件处理的方式，这样加重了软件编写的难度，或采用扩展端口的专用芯片。这两种方法将引起软件成本的提高或硬件电路复杂度的提高，不利于一些小型系统的研发，STC12C5A60S2单片机具有多种串行传输模式， 在一定程度上解决了这个矛盾。

　　LED 数字屏应用非常广泛， 不仅能显示文字， 还能显示各种图形、图表， 甚至各种动画效果， 是广告宣传、新闻传播的有力工具。

　　本文采用STC12C5A60S2 单片机、接口NAND 闪存和上位PC 机，实现了对16×128 点阵LED 数字屏的控制。

　　1 芯片选型

　　1.1 屏体

　　由于屏体是商业成品， 因此系统芯片的选型首选为能与屏体配合的芯片。屏体自备电源， 能直接将蓄电池的能量转变为5 V 的直流电源， 并且这个电源也通过屏体的接口电缆输出到系统板上。因此系统可直接引用该电源， 不必自备电源电路。

　　1.2 单片机

　　综合考虑屏体和系统需求， 选用国内宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T） 的单片机STC12C5A60S2。

　　STC12C5A60S2 是新一代高速8051 单片机， 其指令代码完全兼容传统8051, 但速度快8~12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路， 其工作电压范围是3.5 V~5.5 V,满足要求的电压。由于是单周期的8051 （ 传统8051 是12 周期）， 可选择较易于获得准确波特率的11.059 2 MHz晶振， 而不必担心工作速度降低。

　　STC12C5A60S2 有60 KB 的用户应用程序空间，256 B的RAM 和1024 B 的XRAM.能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另有与程序存储空间独立的一片闪存区域， 可在应用编程中作EEPROM 使用。

　　STC12C5A60S2 有双UART 以及ISP 串口， 串口资源足够系统使用。另外通过宏晶科技提供的软件， 使用UART 可很容易地实现程序下载。STC12C5A60S2 有36个通用I/O 口， 大部分可位控， 并具有强推挽输出的能力， 足够系统使用。

　　STC12C5A60S2 有4 个16 bit 定时器和一个独立的波特率发生器， 另外还有两个PCA 模块， 能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S2 有PDIP-40 封装的芯片， 易于快速进入实验。

　　1.3 闪存

　　因为16 ×16 点阵的汉字库容量在250 KB 左右， 而MCS51 的寻址空间只有64 KB.接口大于64 KB 容量的普通存储芯片就必须进行总线扩展， 采用两次锁存地址的方法来读写， 既需要复杂的电路， 又占用较长的存取时间。同样，NOR 闪存与EPROM 的引脚结构相类似， 有同样的接口复杂性， 成本也十分高。要实现单片机与字库芯片的简单接口（ 不需扩展） , 只能选用串行结构的存储器或命令、地址和数据复用总线结构的存储器。

　　串行结构的存储器多为EEPROM, 没有很大的容量， 不适合做字库芯片。因此只有选用命令、地址和数据复用总线的NAND 闪存作为字库存储芯片。

　　字库所需的容量不大， 但最好能5 V 供电， 且编程的缓存要求较小的芯片。SAMSUNG 公司出品的K9F4008W 是一款512 KB 的NAND 闪存， 仅有8 个IO端口， 且工作电压范围较广（3 V~5.5 V）， 可以兼容3 V 和5 V 的硬件系统， 并且帧编程时仅需要32 B 的缓冲， 正适合作为字库存储的芯片。

　　因此， 闪存芯片的可电擦写特性页非常适用于需要更换字库的场合。故该芯片是十分理想的汉字库存储器。

　　2 电路设计

　　根据系统整体结构设计的电路的原理图如图1 所示。

　　3 总体设计

　　3.1 屏体接口模块

　　屏体接口包括屏体接口头文件、屏幕缓冲区的定义、屏体接口初始化、刷新定时器中断服务程序和SPI中断服务程序几个部分。[page]

　　屏体接口的头文件screen.h 应该使屏幕缓冲区对其他应用可见， 并提供屏体初始化函数。具体定义如下：

　　#ifndef _SCREEN_H_

　　#define _SCREEN_H_

　　#include "inc\\board.h"

　　extern u8 xdata SCR_BUF[16][16];

　　void screen_init（void）；

　　#endif

　　这样就把屏幕缓冲区的结构暴露给应用， 但应用不必关心具体的屏幕刷新操作。

　　具体屏体接口的实现集中在一个文件screen.c 中定义。具体如下：

　　首先是屏幕缓冲区定义：

　　u8 xdata SCR_BUF[16][16]_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes其次是当前显示行和输出列变量定义， 属于静态变量， 应用程序不可见。

　　static u8 data row,col;

　　然后是屏幕初始化， 包括刷新定时器0 的初始化、SPI 的初始化、锁存bLatch 信号的初始化、屏幕缓冲区的初始清零以及定时器和SPI 中断的优先权和使能位的初始化代码略。

　　SPI 和定时器0 的中断服务程序是屏体接口的关键。

　　定时器0 的中断服务程序首先进行扫描行增量取模运算，并将扫描行输出。然后依据扫描行取出屏幕缓冲区对应行的第一个字节发送到SPI 端口。同时列增量。

　　void display_ONe_screen（void）interrupt 1 using 3{

　　row = （++row）&0x0f;

　　P0 = （P0 & 0xf0）|（（~row）& 0xf）；

　　col = 0;SPDAT = ~SCR_BUF[row][col++];

　　}

　　这样编写的屏体驱动， 应用只要在初始化屏体后，向屏幕缓冲区中写入要显示的数据即可， 而不必关心屏幕显示的细节。

　　3.2 UART 接口

　　UART 接口负责与上位机的数据收发， 尽管发送可以同步进行， 但接收必须异步进行。因而UART 接口的核心仍然应该是一个中断服务程序。

　　UART 接口的头文件uart.h 隐藏了接收缓冲区的信息， 用户可调用的函数只有初始化、发送和接收。

　　#ifndef _UART_H_

　　#define _UART_H_

　　void uart_init（void）；

　　void uart_put_c（u8 ch）；

　　u8 uart_get_c（u8 *）；

　　#endif

　　UART 的接口实现首先定义一个接收缓冲FIFO, 以及对FIFO 的读下标uart_rd 和写下标uart_wr, 他们都是文件内可见的静态变量：

　　static u8 xdata uart_buf[64];

　　static u8 uart_rd,uart_wr;

　　bit fSend

　　UART 的初始化包括进行FIFO 的初始化和UART格式、波特率、中断的初始化。代码略。

　　UART 的ISR 主要是服务于接收， 无条件地将数据装入FIFO, 并调整写入指针。

　　static void uart_isr（void）interrupt 4 using 1{

　　if（RI）{RI = 0;

　　uart_buf[uart_wr++] = SBUF;

　　uart_wr &= 0x0f;

　　}

　　}

　　提供给用户的发送程序首先检测发送结束标记， 如果为0, 表示上次发送尚未结束， 直接返回错误信息1。
 

　　否则将要发送的信息发送并清零发送结束标记。这样设计的发送程序， 其目的是将发送等待不限制在接口底层， 而是给上层一个决定是否等待发送结束的机会。

　　u8 uart_put_c（u8 ch）{

　　if（！ TI）return 1;

　　TI = 0;SBUF = ch; return 0;

　　}

　　同样， 接收程序也给上层一个选择等待的机会。接收函数首先判断接收FIFO 是否为空， 如果为空或输入指针参数错误， 则直接返回错误， 否则才从FIFO 中读取数据并将数据存储到指针指向的地址， 然后返回成功。

　　u8 uart_get_c（u8 *ch）{

　　u8 i;

　　if（！ ch）return 1;

　　if（（i = （uart_rd+1）&0x0f） == uart_wr）return 1;

　　uart_rd = i; *ch = uart_buf[i];return 0;

　　}

　　3.3 闪存接口

　　闪存的存取有特殊的时序， 闪存的内部结构也和具体应用要求有很大的不同。因此闪存的接口需要仔细设计。[page]

　　K9F4008 闪存芯片的存储结构组织如图2所示。

　　K9F4008 闪存的存储以块为单位， 每个芯片共有128 块。每块有32 行， 每行有4 个帧， 每帧含有32 B.全部芯片为512 KB。

　　闪存接口提供的闪存初始化函数中就包括对这样情况的处理。初始化函数要从闪存的第一个块中读出一个块映射表， 该表下标是逻辑扇区， 表内每项存储的是该逻辑扇区对应的物理块编号。初始化函数在必要时对闪存进行读写校验， 然后将坏块从表中删除。再寻找新的良好块， 将其编号填入到对应逻辑扇区的表项中。这样对应用来说， 只见到连续的扇区编号， 而不知道扇区究竟对应到那个块。

　　闪存的接口头文件Flash.h 如下：

　　#ifndef _K9F4008_H_

　　#define _K9F4008_H_

　　void read_log_page（u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf）；

　　u8 prog_log_page（u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf）；

　　void erase_log_blk（u8 sector）；

　　bit flash_init（void）；

　　#endif

　　实现闪存的接口， 首先就是依据说明书的时序定义闪存的基本操作。这里是以宏定义实现基本操作的。

　　#define W_CMD（cmd_）\\

　　bCLE=1; bWE=0; P2=（cmd_）； bWE=1; bCLE=0

　　#define W_ADDR（addr1_,addr2_,addr3_）\\

　　bALE=1; bWE=0; P2=（addr1_）； bWE=1; \\

　　bWE=0; P2=（addr2_）； bWE=1; \\

　　bWE=0; P2=（addr3_）； bWE=1; \\

　　bALE=0

　　#define W_DAT（dat_） bWE=0; P2=（dat_）； bWE=1

　　#define wait_RB while（！ bRB）

　　#define l2p（x_） fat_tbl[（x_）]

　　3.4 EEPROM

　　内部集成的EEPROM 是与程序空间分开的， 利用ISP/IAP 技术可将内部DATAFLASH 当EEPROM,擦写次数10 万次以上。EEPROM 可分为若干个扇区， 每个扇区包含512 B.使用时， 建议同一次修改的数据放在同一个扇区， 不是同一次修改的数据放在不同的扇区， 不一定要用满。数据存储器的擦除操作是按扇区进行的。

　　sfr IAP_DATA = 0xC2; //Flash data register

　　sfr IAP_ADDRH = 0xC3; //Flash address HIGH

　　sfr IAP_ADDRL = 0xC4; //Flash address LOW

　　sfr IAP_CMD = 0xC5; //Flash command register

　　sfr IAP_TRIG = 0xC6; //Flash command trigger

　　sfr IAP_CONTR = 0xC7; //Flash control register

　　根据使用说明对EEPROM 的寄存器进行定义。