基于AVR单片机的LED显示屏控制系统的研究

1 引言

LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息传播媒体，是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。它以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者，广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面， 是目前国际上较为先进的宣传显示媒体[1].本文提出了一种主从式单片机的LED显示屏解决方案， 该设计方案利用AVR单片机自身的FLASH ROM 和RAM,外部无需任何存储电路，电路结构简单。

　　2 系统的工作原理及总体方案设计

　　2. 1AVR单片机

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，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分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1000 次以上，给用户的开发生产和维护带来方便。可擦写10 万次E PROM,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、A /D 转换器、PWM 、USART、SPI、TWI 接口等，I / O 口功能强、驱动能力强。

　　2. 2 系统的工作原理

　　本设计采用AVR 系列单片机ATMEGA16 作为主控制器，以DS1302 时钟芯片和16M 的外置晶振提供准确时间标准、很方便的现实和校准时间。

　　Atmega32 的内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存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寄存器。采用74HC245 存储器作为信号功率放大。通过2 片74HC595 移位寄存器实现对数据的播放格式，ATMEGA32 卡内带32MFLASH,用户可用专用上位机软件对要显示的内容按照预定的显示格式进行编辑后，通过RS485或RS232 接口，向显示屏控制卡发送。发送结束后，控制卡可以脱开计算机，自动按照用户设定的模式显示所输入的内容，从而通过LED显示屏来显示你所需要的内容。直到下一次数据更新，所显示的内容一直保持。

　　2. 3 系统的总体方案设计

　　LED 点阵显示系统由计算机、RS-232 通讯电路、控制电路和LED 点阵显示电路构成，结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

　　上位机完成把图像和文字转换成为显示屏的显示码，并且把显示信息发通过RS232 送到控制电路上。控制电路选用具有32KB 片内FLASH ROM 和2KB 片内RAM 的AT2mega32 单片机，没有外挂存储器。如果要存储更多的显示信息，可以选用具有64KB 片内FLASH ROM 的AT2mega64 或者具有128kB 片内FLASH ROM 的AT2mega128,也可以外挂存储器来增大存储能力。控制电路主要完成对显示数据的滚动和分割处理，然后通过异步串行口发送到每个单元板中。每块单元板用16 × 32 单色点阵块拼成的点阵屏，控制电路更新显示单元板的显示内容时，对所有单元板按地址逐个发送显示数据，更新完所有子模块数据后，再发送一个特殊的地址字0xFF 作为控制字，使所单元板同时更新显示数据，这样可以避免当屏幕较大，单元板数量较多时各子模块画面更新不同步的问题。对本设计中完成的2 × 10 个单元板而言， 由于通讯速率限制，画面更新速度最高可达56800 / （ 129 × 24 + 1 ） =18134 帧/ s,由于主控制电路还要完成全屏数据的分割和显示内容的移动控制， 所以其实际帧数低于上述值，不过用于普通的图片显示已经可以达到要求。

　　3 系统硬件设计

　　3. 1 主控制器的选择

　　Atmega32 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，Atmega32 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。

　　Atmega32 有32K 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 个通用I /O 口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较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 单元板显示电路单元

　　显示驱动电路由RS232 转换电路、子模块地址标识电路和点阵驱动电路组成。RS232 转换电路和主机板中一样， 同样采用MAX485 作电平转换。由于采用单片机的异步串行口进行多机通信进行数据传输，单元模块应该有和其位置相对应的地址标识地址标识电路采用8 位并进串出芯片74HC595 和8 位拨码开关组成，因此本系统最多可以容纳255 个子模块（ 地址0xFF 作为更新子模块显示的控制字）。

　　LED 点阵采用动态扫描法进行驱动，并且实现16 阶灰度显示，为了节省单片机程序中扫描程序的时间消耗，提高扫描速度，显示数据采用并行输出的方法。驱动电路采用译码器74HC138 和74HC245,分别实现行选和位选。