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。