基于双RAM技术的LED显示屏控制系统设计

　　长屏的LED显示屏在生活中应用的很多，这种显示屏的控制电路简单，扫描线有限，显示信息量也不是很大。当显示信息量比较大时，采用一般的长屏显示屏，显示信息过慢，即使采用超长屏的显示屏，其数据输出速率也很慢，同时显示屏的刷新频率也不一定能满足显示需求。矩形显示屏显示一屏的信息量大，并且可以按需要扩展显示屏的高度，不存在频率上的限制，可以弥补长条显示屏显示信息时存在的一些问题。本文用于控制矩形显示屏的控制系统数据组织使用了双RAM技术，提高了信息垂直循环显示时存储器效率，大幅度降低了数据存储器的占用，并且对刷新频率的要求也不是很高［1］。

　　1 显示数据组织

　　大多时候需要显示的区域大于或等于实际显示的区域，相等以及小于时为静态显示，图1所示的是需要显示的区域大于实际显示的区域。为了简化问题的分析，本文将显示区域高度设置为led显示屏高度的4倍，宽度等于LED显示屏宽度，显示屏的高度为 ，宽度为，则显示区域高度 ，宽度 ，扫描线条数 ，本文以单色显示作为描述对象，且 （ 为输出数据宽度），如图1所示。

　　图1 显示区域图

　　对于一个LED显示屏宽度为 ，高度为 确定后，显示屏单元板的排列方式也就被确定了，单元板相邻的两条扫描线之间的距离为 ，显示屏有 条扫描线，分别是， ，… ，每 行对应一位显示数据，显示屏上的每一个点对应于存储器中某个字节的某一位。各扫描线的起始位置如图1所示， 条扫描线分别指向 ， ，…， 。用静态显示数据组织方法分别对显示块A、B、C、D组织显示数据［2］。首先对显示块A的显示信息进行组织：

　　① ，即当前扫描线各行与第0列相交各点的显示数据按 ， ，…， 的顺序存储在存储器的第一个存储单元中。

　　② 值增加1，当前扫描线各行与 值对应列相交各点的显示数据存储在存储器的下一个存储单元中。

　　③重复第 eq oac（○，2）2步的操作，将 至 的 个数据按顺序全部存储在存储器中。

　　④ 条扫描线向下移动一行，重复第 eq oac（○，1）1至 eq oac（○，3）3步。直到 移动到 行时。

　　⑤数据组织结束。

　　显示区域B、C、D，分别按照A的数据组织方式去组织显示数据。组织后的显示数据块按A、B、C、D的顺序存储在RAM0里，然后将RAM0中的显示数据块A、B、C、D按B、C、D、A的顺序拷贝到RAM1中，任何两个相邻显示块的显示数据分别在两块RAM中都有相同地址存储区域。RAM0 和RAM1的显示数据与存储器的对应关系如图2所示。

　　图2 数据块与存储器之间的排列图

采用双RAM并行输出时的几种情况，如图2所示，扫描组1从 到 ，对应显示块A，数据已组织存放在存储器中，可以直接输出显示数据；扫描组2从 到 ，对应显示块B也已经组织好，可以直接输出。但是扫描组3，它的位置非同一般，它的扫描线分别对应着两个块A和B，第0，1，… 条扫描线分别对应显示块A扫描组1的1，2，…， ，而第 条扫描线对就显示块B扫描组2的第0条扫描线，如果要在显示屏上显示扫描组3对应的这一屏数据，就一定要同时使用到扫描组1的第1，2，…， 条扫描线和扫描组1的第0条扫描线组织的显示数据作为输出数据。由于显示块A和B的显示数据是分别组织的，这时就要取RAM0的，，…， 和RAM1的 位作为输出到显示屏的 位数据，这就需要在两块RAM同时输出的2 位中选择需要的 位作为输出数据，并且这 位数据是连续的 位数据。

　　显示步骤（在此，只考虑垂直移动显示效果）：双RAM技术将显示数据输出的时候，是将两块RAM中相同地址的两个数据同时输出。所以，如果设置RAM0为主存储器，RAM1为从存储器，则将两块RAM的显示数据存在一块串行存储器中的时候，偶地址单元应存储RAM0的数据，奇地址单元存储RAM1的数据，由于数据宽度为8，所以每次输出16位数据。如果显示区域中以（ ， ）点为显示起始点，在LED屏上显示一屏显示信息，则其数据选择控制位只与 、扫描线和扫描宽度 有关［3］。显示区域的起始行坐标为 ，一块显示区域有 行，则 所在的块为：

　　这里讨论 在实际显示区域的坐标没有多大意义，只须注意 在当前显示块的相对坐标， 就是 在当前显示块的相对纵坐标，则相对坐标为（ ， ）。动态显示的基础是静态显示，静态显示以从特定行显示一屏为特征，当显示屏从第 行开始显示信息时，因为一块显示区域有 个数据，则 所在块显示数据的起始地址为：

　　一块显示区域分为 个区，如图2所示，则 所在的分区记作：

　　一区存放有 个显示数据，所以 所在分区地址与所在块起始地址之间的相对偏移地址为 。所以，只要知道了显示信息的起始行坐标，就能得到显示数据在存储器中的存储地址。

　　因为 ，记 ，表示显示信息跨越两个数据块时，需要选择的数据位数。存储器输出16位数据 后，从 位控制选择连续的8位数据 输出到显示屏。当数据从一个字节的 位开始输出16位时，如 ，前面8位在当前显示是多余的几位数据，后面8位数据 正好是要输出到显示屏的8位数据，当这16位数据串行输出到一个8位的移位寄存器中时，移位寄存器刚好可以容纳高8位数据，并将其输出显示。之后各列数据的输出情况同样如此，不需要额外的指令或电路来对输出数据进行选择输出。

  只是在每行第一列数据输出前，通过单片机模拟i个时钟脉冲输出到存储器，让输出数据产生错位，使数据从 位开始输出。另外有一种情况，当显示信息刚好是A、B、C、D块中的某一块时，无须产生模拟脉冲对数据进行选择，而是直接将数据输出显示。通过分析可知，SPI模块刚好具有这个功能，通过单片机额外模拟 个时钟脉冲，输出到串行存储器的时钟信号端，可以使数据错位，从指定的某一位 开始输出。当显示信息跨越 区间时，此时如果一场显示还没有完毕，内存地址应返回到 所在块的起始地址，并从起始地址开始输出显示数据，单片机模拟的脉冲数 也相应发生变化［4］。

　　2   LED显示屏控制系统设计

　　为了简化电路，提高数据输出效率，本控制系统采用RAMTRON（瑞创）公司的带SPI功能模块的VRS51L3074单片机，如图3所示。VRS51L3074单片机的时钟频率为40MHz，指令周期短，处理速度快，效率可以与ARM处理器媲美，但是ARM处理器的价格要高得多。VRS51L3074单片机工作电压在3.3V左右，但是可以兼容5V［5］。

　　图3 LED显示屏控制电路

　　2.1     VRS51L3074的SPI功能模块

　　VRS51L3074单片机的SPI时钟频率可以在 范围内调整，SPI时钟频率最高可以达到20MHz［6］。当VRS51L3074作为SPI主机时，可以对SPI运行控制、配置和状态监控以及其他的一些工作环境进行设置：

　　配置寄存器SPICONFIG：主要对片选信号控制模式、SPI中断进行设置。

　　状态寄存器SPISTATUS：主要用于对SPI运行状态的监控。

　　传输字长寄存器SPISIZE：设置传输字长，本文设置为16位，即每次输出16位数据。

　　控制寄存器SPICTRL：对SPI时钟速率、时钟相位/极性、片选信号，以及SPI时钟频率进行设置。

　　数据寄存器SPIRXTX0~ SPIRXTX3：用于对SPI接口32位收发缓冲器的访问，对数据寄存器执行写操作是将数据送入发送缓冲器中，对数据寄存器执行读操作是从接收缓冲器中取出收到的数据。SPI接口的发送和接收缓冲器都采用双缓冲结构，从硬件上减少数据冲突并提高数据传输效率。在主模式下对SPIRXTX0寄存器执行写入操作将启动SPI传输。当传输字各行长大于8时，应最后向SPIRXTX0寄存器写入。

向串行FLASH输入控制信号和数据地址后，启动串行FLASH传输数据，在SPI时钟驱动下，输出显示数据。并且可以用单片机模拟串行FLASH时钟信号控制任意位数据输出。

　　2.2     数据选择控制电路

　　设计的LED显示屏控制系统如图3所示，VRS51L3074单片机内部自带精确的40MHz振荡器，不需要外部晶振电路提供系统时钟，显示数据使用内存为16Mb的SST25VF016B，这是一款具有SPI接口的8PIN串行FLASH［7］。双RAM技术输出显示数据的时候，是将两块RAM中相同地址的两个数据同时输出，所以，将两块RAM的显示数据存放在一块串行存储器中的时候，偶地址单元应存储RAM0的数据，奇地址单元存储RAM1的数据，数据输出时，每次输出16位数据。串行存储器和单片机的工作电压都在3.3V左右，但是VRS51L3074单片机可以兼容5V，简化了控制电路。控制信号和显示数据在输出到寄存器74LS164和显示屏的时候，需要用74LVC07进行电平转换。

　　控制系统控制显示数据输出的流程为：

　　①将扫描线行地址通过P2端口的低四位送给LED显示屏。

　　②通过显示数据在显示区域中的位置，计算显示数据在存储器中的地址，并计算出数据选择的位数 。

　　③通过单片机P3.0口模拟移位脉冲，输出到串行FLASH时钟信号，移位脉冲数由数据选择位数 决定。使输出数据产生错位，正确的选择输出显示数据。

　　④启动SPI读取显示数据， SPI传输字长设置为16位。模拟脉冲已经输出到串行FLASH使数据产生了错位，输出16位数据 ，输出到显示屏的数据 在高8位，经过移位刚好可以存放在移位寄存器中，每行第一个数据输出后，以后此行各列数据都是直接输出。

　　⑤16位数据输出完毕后，通过P3.1脚产生一个SCK脉冲，将移位寄存器74LS164中的数据输出移入到单元板的74HC595串行移位寄存器中。

　　⑥重复第 eq oac（○，4）4至 eq oac（○，5）5步，直到一行数据全部输出完毕后，由P3.2 产生一个RCK脉冲，读取的一行数据将输出显示，然后扫描线下移一行。

　　⑦重复第 eq oac（○，1）1至 eq oac（○，6）6步。

　　此电路有这样几个特点：显示数据从串行FLASH输出后，不经单片机的处理，直接以“DMA”方式输出到移位寄存器74LS164，同时实现串并转换，节省数据处理时间，提高显示效率；在每场数据输出之前，通过信息在显示区域中的地址计算数据选择位数 ，并通过P3.0 端口模拟 个脉冲输出到串行FLASH，移出 位数据，数据产生错位，使输出显示的数据在16位输出数据的高8位，可以直接存放在移位寄存器中，输出到显示屏，以后同行各列的显示数据输出时，无需再进行数据选择位的判断，直接将显示数据从存储器中输出到显示屏。

    存储器效率分析：

　　表1 存储器效率存储器

　　观察表1可知，在垂直移动显示使用双RAM技术组织，大大提高了存储器效率，降低了显示数据存储器的占用。当显示信息比较大时，动态数据组织使用的存储器比较大，利用率低，而采用双RAM技术正好解决这个问题。一块RAM的效率是100%，双RAM是50%，当有N块RAM时，效率为 。

　　3 程序设计

　　针对图3所示控制电路，按照数据输出控制流程，编写了一段程序，随机显示一屏信息，显示数据已按顺序存储在串行FLASH中。

　　void display（unsigned int YL）

　　{ unsigned int i，j，p;

　　unsigned char line， unit_board_num， board_i;

　　unsigned char code *ram_point， *block_addr，* region_addr，* ram_begin_addr;

　　block_addr=YL/（Bw*Sw） * （Sw*Dw）; //所在块的起始地址

　　region_addr=（YL%Sw）*Dw; /所在区的相对块的相对地址

　　i=YL/Sw;

　　region_recod=YL%Sw; //此变量记录显示数据已进入哪一区

　　ram_point=ram_begin_addr+block_addr+region_addr-1; // ram_begin_addr为数据起始地址

　　SPI_write_read（0x03）; //向串行FLASH发读命令，0x03为读控制字

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffffff）》》16））; //3字节24位地址

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffff）》》8））;

　　SPI_write_read （ram_point & 0xff）;

　　unit_board_num=Dw/64; //计算单元板的数量

　　for（p=0;p

　　{ SCK=0; SCK=1; }

　　SCK=0;

　for（line=0;line

　　{ SPISIZE=0x0f; //设置2字节16位传输方式

　　for（ board_i=0;board_i

　　{ for（j=0;j《64;j++）

　　{ SPIRXTX0=ACC; //启动数据传输出

　　while（（SPISTATUS & BIT1） == 0）; //等待发送（接收）完成

　　LED_SCK=0;LED_SCK=1; //送入单元板

　　} }

　　EN=1； //换行时暂关闭

　　P2=（（P2&0xf0）|line）;

　　if（region_recod》=Sw）

　　{ ram_point=ram_begin_addr+block_addr-1;

　　SPISIZE=0x07;

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffffff）》》16））;

　　SPI_write_read（（（ram_point & 0xffff）》》8））;

　　SPI_write_read （ram_point & 0xff）;

　　region_recod=0; i++;

　　if（i《=7）

　　for（p=0;p

　　{ SCK=0; SCK=1; }

　　SCK=0; }

　　RCK=1; RCK=0； //产生74HC595输出锁存信号

　　EN=0; } //开显示

　　unsigned char SPI_write_read （unsigned char Wr_Rd_Data）

　　{ unsigned char Temp_Flag;

　　SPDR= Wr_Rd_Data; //启动SPI发送或接收

　　do //判断发送或接收是否完成

　　{ Temp_Flag=SPSR&0x80;

　　}while（Temp_Flag！=0x80）;

　　SPSR=SPSR&0x7F; //清SPI发送或接收完成标志

　　return SPDR; } //返回SPI接收到的数据

　　结 论

　　本控制系统利用串行FLASH在输出数据时的特点，最大的减少了数据处理的时间，将显示数据以“DMA”方式输出到显示屏，提高显示效率，并且弥补长条显示屏在显示信息上的不足。双RAM技术大大提高了垂直移动时的存储器使用效率，所有的数据块都是按静态显示方式组织数据，所以每一块RAM的显示数据效率都是100%，双RAM的效率为50%。

    本文显示数据存放在一块FLASH中，效率也为50%，相比动态显示组织方式，降低了垂直移动时显示数据存储器的占用，提高存储效率。还可以双RAM技术为基础，扩展出多RAM方式，提高显示的高度，增加每屏显示信息，进一步提高存储效率。本系统仍有改进的空间，譬如以双RAM组织显示数据后直接用两个RAM来存放不同的数据，控制显示数据直接输出，提高输出速率。