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基于多端口串行Flash的条形LED显示屏控制
来源:新能源网
时间:2015-08-04 19:26:57
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基于多端口串行Flash的条形LED显示屏控制在LED显示屏应用中,超长条形LED屏是非常广泛的一种形式,其特点是长度“特别长”而宽度窄。超长LED显示屏目
在LED显示屏应用中,超长条形LED屏是非常广泛的一种形式,其特点是长度“特别长”而宽度窄。超长LED显示屏目前没有明确的定义,可以将其水平方向的点数定义为≥2048比较合适。
以由1/4扫描P10单元板(点间距10mm)组成的超长条形LED显示屏为例,当水平方向的点数为2048时,其水平方向物理尺寸为20.48m.LED屏的宽度(垂直方向)点数一般为16、24和32点,最多不超过64点,应用中以能够显示一行各类字体的汉字为主。为保证刷新率,在对超长LED显示屏的控制上,要求在规定时间内送出更多数据,普通的LED显示屏控制卡很难实现控制要求。
本文在分析现有各种条形LED显示屏单元板电路的基础上,提出了一种基于多端口串行Flash存储器的LED显示控制系统。利用单片机的SPI接口产生可控时钟,将多端口串行Flash存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED显示屏。
1常用单元板内部串行移位寄存器连接方式
图1为3种常用单元板内部串行移位寄存器连接方式。其中图1(a)为单元板74HC595与LED发光管点阵连接关系及简化表示电路。LED显示屏单元板内部使用的串行移位寄存器一般为74HC595、MBI5026或MBI5026兼容芯片,而MBI5026可以看成是由两片74HC595级联构成,为恒流源驱动模式,更适合LED的驱动。
图1(b)、(c)、(d)分别为P10、P16、F3.75或F5.0单元板的连接方式。
图1 3种常用单元板内部串行移位寄存器连接方式
2超长LED显示屏面临的问题及解决方案
目前,市场上大量的门头屏(条形LED显示屏)是LED显示屏应用最广的一种形式。从技术上来说,门头屏的水平方向点数从256点至数千点,而高度一般不超过64点。随着市场需求和显示精度的提高,数千点长度的超长LED显示屏需求量在不断加大。普通的LED显示屏控制卡难于满足刷新率的要求,以在长度上像素点是4096的F3.75LED显示屏为例,设刷新率为60Hz,其SCK时钟周期至少为106/60/16/4096=0.254μs=254ns.
解决超长LED显示屏数据输出的方法有两种:一是选择高性能嵌入式处理器和FPGA芯片,该方法控制卡成本较高;二是巧妙应用单片机上的特殊功能部件并优化组织数据算法,这种方法成本很低。本文采用的就是第2种方法,通过优化算法将数据预先写入多端口串行Flash存储器SST26VF016B中,利用STC12C5616单片机的SPI部件产生高速可控SCK时钟,将多端口串行Flash存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED显示屏中,满足超长LED显示屏的显示要求。
超长LED显示屏高度一般不超过64点,若控制1/16扫描单色LED显示屏,SST26VF016B存储器的4位数据端口正好满足LED显示屏数据口宽度的需要。图2为SST26VF016B存储器的控制时序,CS为SST26VF016B存储器的片选端,所有对存储器的操作都要在CS为低电平期间进行;SCK为时钟线,当空闲模式时,SCK信号可以处于低电平状态(MODE0),也可以处在高电平状态(MODE3);SIO(3∶0)为4位数据端口,在数据传输时,先传字节的高4位,再传字节的低4位。从存储器的控制时序可以看出,对存储器的控制按照命令字、24位存储地址、虚拟字节、数据字节0到数据字节N的顺序发送。存储器的命令字可以实现对存储器进行片擦除、扇区擦除、单字节读写、连续字节读写等功能,完全能够满足超长LED显示屏对存储器的容量和控制方式的要求。
图2SST26VF016B存储器的控制时序。
制的要求,又满足超长LED显示屏对时钟的要求。
3超长LED显示屏控制卡电路设计
利用串行Flash存储器SST26VF016B的多位数据口存储器和STC12C5616单片机的SPI部件能产生高速SCK时钟的特点,将显示数据从串行Flash存储器旁路输出至LED显示屏,电路如图3所示。
图3超长LED显示屏控制卡电路图。
当显示屏的动态刷新速率达到50次/s时,在1/16扫描的LED显示屏上,一行显示时间要小于1/50/16s,即1.25ms.在控制卡设计上,当fosc=22MHz时,串行Flash时钟频率fclk=1/4fosc=5.5MHz,故4096个CLK时钟所需时间为4096×1/(5.5×106)s=0.744ms,加上采用SQI协议发送存储器指令和地址的时间后也小于1.25ms,故在图3中,单片机STC12C5616的外部时钟选择22MHz时钟,就可以保证在SQI协议方式下实现4096超长显示屏的显示。
单片机STC12C5616的外部时钟选择22.1184MHz,便于串行口波特率的精确控制;引脚P3.0和P3.1为UART接口,通过通信接口芯片MAX232芯片实现控制卡和PC机之间的通信连接;引脚P2.0~P2.3为4位数据线,该数据线一方面连接存储器SST26VF016B的4位数据口,另一方面通过74HC245驱动后连接到LED单元板输出接口的数据线上。在控制卡上设计有2个单色LED单元板输出接口,接口J1使用数据线D0和D1,接口J2使用数据线D2和D3;引脚P1.7为SPI时钟输出,SPI时钟输出线同时连接到串行Flash存储器SST26VF016B和LED单元板的时钟输入;引脚P1.4为串行Flash存储器SST26VF016B的片选信号;引脚P3.5为LED单元板的数据锁存信号;引脚P3.7为LED单元板的使能信号输出;引脚P1.0~P1.3为LED单元板的行选择信号输出;J1和J2连接头用来连接显示屏在高度方向上的LED单元板,以符合门头屏64点高度要求。
该电路的设计可以灵活地在单片机、串行存储器和LED单元板相互之间实现3种不同的数据访问模式,分别是:
(1)单片机和存储器之间的正常访问。
由图3可以看出,单片机STC12C5616和串行Flash存储器SST26VF016B之间的连接是参照数据手册进行连接的,可以实现正常的数据存取,同时该数据也会进入LED单元板上的移位寄存器缓冲区,但只要LED单元板上的数据锁存RCK没有得到有效信号,进入LED单元板的数据是不显示出来的无效数据。
(2)单片机和LED单元板之间数据通信。
将单片机引脚P1.4置高电平,即将串行Flash存储器的使能端无效,这时存储器的数据端口呈高阻状态,单片机和LED单元板之间数据通信就不会受到存储器数据口的影响,可以将单片机的数据正常输出到LED单元板上。
(3)存储器和LED显示屏之间的数据传输。
首先采用第(1)种模式,单片机先向串行存储器输出命令字、存储地址和虚拟字节,然后将单片机的数据口P2.0~P2.3全部置高电平,通过SPI时钟从串行存储器读取显示数据,同时以“DMA”方式进入LED单元板,当读取完一行数据后,在LED单元板上的数据锁存端RCK上产生有效信号,就可以显示该行数据。当采用这种模式时,一定要将单片机STC12C5616的引脚P2.0~P2.3设置为“弱上拉”模式。
4超长LED显示屏显示程序设计
在1/16单色LED显示屏硬件电路设计中,74HC595采用直通方式连接。根据直通方式特点,预先对单色显示数据进行优化组织,将组织后的显示数据预先存放在串行Flash存储器SST26VF016B中。如图4所示,单片机输出显示每行数据时按“输出数据→送移位脉冲→地址加1”的顺序重复进行,显示完一行后,RCK锁存显示,通过ABCD切换行选通线。
图41/16扫描单色F3.75或F5.0单元板(64×32点)连接方式。
以LED显示屏的水平方向点数为4096点为例,其显示一帧数据的程序代码如下:
在设计程序时,仅在换行时关闭显示屏,避免它产生余辉,其余时间都点亮。在该程序中,Bv为数据线在垂直方向使用595的组数;Lw为LED显示屏水平方向像素点数;Ln为当前LED显示屏显示数据行号。当显示数据时,采用存储器和LED显示屏的数据输出模式,单片机先向串行存储器输出“读数据”命令字“0x0B”,然后输出24位地址和虚拟字节,再使单片机数据口输出高电平,就可以根据LED显示屏的长度输出SCK脉冲。送完一行数据后,禁止SPI接口,RCK锁存信号有效,切换至下一行,按重复步骤继续输出显示数据。
5测试
经过测试后,显示屏显示正常,没有抖动情况,使用逻辑分析仪测试了其刷新率,如图5(b)所示,信号A的电平宽度表示显示1行所需要的时间,其宽度为1.03616ms,显示1帧的时间为16×1.03616ms≈16ms,所以LED显示屏的刷新率为1/16ms=62.5Hz.而当LED显示屏的刷新率大于50次/s时,就可以满足设计要求,故本设计能够满足正常显示要求。通过测试SCK信号,如图5(a)所示,可以看出SCK信号每8个脉冲1组,每组之间的时间间隔仅为570ns,该时间主要消耗在判断SPI数据传输完成标志和循环控制上。
图5LED屏信号测试
6结论
本文提出了基于多端口串行Flash存储器的LED显示控制系统,利用单片机的SPI接口产生可控时钟,将多端口串行Flash存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED显示屏。
其制造成本低廉,根据本文程序及逻辑分析仪得到的时序图可知,该方法可以控制4096×64点阵单色LED显示屏,在超长显示屏市场上有很好的应用前景。
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