基于单片机的LED显示屏控制系统设计

　　本设计使用双RAM技术来组织用于控制矩形显示屏的控制系统数据，提高了信息垂直循环显示时的存储器效率，大幅度降低了对数据存储器的占用率，并且对刷新频率的要求也不是很高。

　　1、LED显示数据组织

　　需要显示的区域小于或等于实际显示区域时，采用静态显示即可。但大多时候需要显示的区域大于或等于实际显示区域，如图1所示。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。设显示屏的高度为Lh,宽度为Lw,则显示区域高度Dh=4Lh,宽度Dw=Lw.本文以单色显示作为描述对象，且Bw=Bn=8（Bw为扫描线条数，Bn为输出数据宽度），如图1所示。

　　对于一个LED显示屏，宽度Lw和高度Lh确定后，显示屏单元板的排列方式也就确定了。单元板相邻的两条扫描线之间的距离为Sw,显示屏有Bw条扫描线，分别是Y0,Y1,…，YBw-1.每Sw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。Bw条扫描线分别指向：Y0=O,Y1=Sw,…，BBw-1=（Bw-1）Sw.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。首先对显示块A的显示信息进行组织（X为列号）：

　　①X=0,即当前扫描线各行与第O列相交各点的显示数据按D0,D1,…，DBw-1的顺序存储在存储器的第一个存储单元中。

　　②X值增加1,当前扫描线各行与X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。直至将X=O至X=Dw-1的Dw个数据按顺序全部存储在存储器中。

　　③Bw条扫描线向下移动一行，重复第①至②步，直到Y0移动到Sw-1行时。

　　④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RAMl中，任何两个相邻显示块的显示数据在两块RAM中都有相同的地址存储区域。RAM0和RAMl的显示数据与存储器的对应关系如图2所示。

　　扫描组1从Y0=0到Y0=Sw-1,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Y0=Lh到Y0=Lh+ Sw-1,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O,1,…Bw-1条扫描线分别对应显示块A扫描组1的1,2,…，Bw-2;而第Bw-1条扫描线就对应显示块B扫描组2的第O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,…，Bw-1条扫描线和扫描组2的第O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D0,D2,…，DBw-1和RAMl的D0位作为输出到显示屏的Bw位数据，这就需要在两块RAM同时输出的2Bw位中选择需要的Bw位

　　作为输出数据，并且这Bw位数据是连续的。

　　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RAMO为主存储器，RAMl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时，偶地址单元应存储RAM0的数据，奇地址单元存储RAMl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（XL,YL）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YL、扫描线和扫描宽度Sw有关。显示区域的起始行坐标为YL,一块显示区域有Bw·Sw行，则YL所在的块为：

　　这里讨论YL在实际显示区域的坐标没有多大意义，只须注意YL在当前显示块的相对坐标，NL=YL%（Bw·Sw）就是YL在当前显示块的相对纵坐标，则相对坐标为（NL,YL）。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YL行开始显示信息时，因为一块显示区域有Sw·Dw个数据，则YL所在块显示数据的起始地址为：

　　一区存放有Dw个显示数据，所以YL所在分区地址与所在块起始地址之间的相对偏移地址为（YL%Sw）·Dw.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。

　　NL=YL/（Bw·Sw），这里记i=NL/Sw（0≤i≤7），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[D0,D1,…，D15]后，从Di位控制选择连续的8位数据[Di,Di+1,…，D7,…，D7+i]输出到显示屏。当数据从一个字节的Di位开始输出16位时，如[Di,Di+1,…，D7,…，D15,D0,…，Di-1],前面8位在当前显示是多余的几位数据，后面8位数据[D8+i,…，D15,D0,…，Di-1]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Di位开始输出。另外，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i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Di开始输出。当显示信息跨越Sw-1区间时，如果一场显示还没有完毕，内存地址应返回到YL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i也相应发生变化。

　　2 、LED显示屏控制系统设计

　　LED显示屏控制电路。为了提高数据输出效率，采用RAMtron公司的带SPI功能模块的VRS51L3074单片机。VRS51L3074的时钟频率为40 M-Hz,指令周期短，处理速度快，效率高；工作电压在3.3 V左右，但是可以兼容5 V.SST25VF016B是一款具有SPI接口的8引脚串行Flash.7 4LSl64为移位寄存器。

　　2.1 VRS51L3074的SPI功能模块

　　VRS51L3074的SPI时钟频率可以在SysClk/2~SysClk/10

　　24范围内调整，SPI时钟频率最高可以达到20MHz.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

　　LED显示屏控制系统如图3所示，VRS51L3074单片机内部自带精确的40 MHz振荡器，不需要外部晶振电路提供系统时钟。数据显示采用内存为16 Mb的SST25VF016B.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时，偶地址单元应存储RAM0的数据，奇地址单元存储RAMl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3.3 V左右，但是VRS51L3074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4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i.

　　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i决定。使输出数据产生错位，正确地选择输出显示数据。

　　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[Di,Di+1,…，D7,…，D15,D0,…，Di-1],输出到显示屏的数据[D8+i,…，D15,D0,…，Di-1]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，此行各列数据都直接输出。

　　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74LSl64中的数据输出移入到单元板的串行移位寄存器74HC595中。

　　⑥重复第④至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①至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74LSl64,同时实现串并转换，既节省数据处理时间，又提高显示效率。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i,并通过P3。O端

　　口模拟i个脉冲输出到串行Flash,移出i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。

　　存储器效率分析如表1所列。

　　由表1可知，采用双RAM技术输出显示大大提高了存储器效率，降低了显示数据存储器的占用。当显示信息量较大时，动态数据组织使用的存储器比较多、利用率低，而采用双RAM技术正好解决了这个问题。一块RAM（静态显示时）的存储器效率是100%,双RAM的效率是50%.当有N块RAM时，效率为（N-1）/N.