關鍵詞： AVR , LED , 顯示屏

led點陣塊具有亮度高、發光均勻、可靠性好、拼裝方便等優點，能構成各種尺寸的顯示屏。目前，led顯示屏已被廣泛應用于文字顯示并取得了很好的效果，但是大部分僅能顯示滾動的文字信息而不能顯示圖像，并且還存在系統復雜等缺點。本文提出了一種主從式單片機的LED顯示屏解決方案，該設計方案利用AVR單片機自身的FLASHROM和RAM，外部無需任何存儲電路，電路結構簡單。該系統實現了圖像的16階灰度顯示，可廣泛用于商場、車站等公共場合。

1 AVR單片機簡介   
　　
AVR單片機是增強型內置FLASH的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精簡指令集高速8位單片機，硬件采用哈佛(Harward)結構，達到一個時鐘周期可以執行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令。支持在系統編程ISP，其中MEGA系列還支持在應用編程IAP。內置的FLASH程序存儲器可擦寫1000次以上，給用戶的開發生產和維護帶來方便。可擦寫10萬次的E2PROM，為掉電后數據的保存帶來方便。AVR單片機有豐富的片內資源，如RTC，WATCHDOG，AD轉換器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，I／O口功能強、驅動能力強。   

2 系統整體設計方案   
　　
LED顯示系統主要由3部分構成：PC上位機圖像文字轉換與數據發送單元、主控單元以及顯示子模塊。   

  
上位機完成把圖像和文字轉換成為顯示屏的顯示碼，并且把顯示信息發送到主控單元上。主控單元選用具有32kB片內FLASHROM和2kB片內RAM的AT-mega32單片機，沒有外掛存儲器。如果要存儲更多的顯示信息，可以選用具有64kB片內FLASHROM的AT-mega64或者具有128kB片內FLASHROM的AT-megal28，也可以外掛存儲器來增大存儲能力。主控單元主要完成對顯示數據的滾動和分割處理，然后通過異步串行口發送到每個子模塊中。每個顯示子模塊用4片8×8單色點陣塊拼成1個16×16的點陣屏，用一片ATMEGA8完成掃描動態顯示。   
　　
主控單元與顯示子模塊的數據通信采用標準的異步串口格式，每幀數據包括1個起始位，8個數據位，1個地址／數據標示位，1個停止位共11位。數據傳輸碼率為625kb／s，字節傳輸速率為56.8kB／s。每個子模塊由256個LED構成，實現16階灰度每個LED需要4b空間，因此每個顯示子模塊全屏數據量為128B，外加1B的尋址字節共129B。主控單元更新顯示子模塊的顯示內容時，對所有子模塊按地址逐個發送顯示數據，更新完所有子模塊數據后，再發送一個特殊的地址字0xFF作為控制字，使所有子模塊同時更新顯示數據，這樣可以避免當屏幕較大，顯示子模塊數量較多時各子模塊畫面更新不同步的問題。對本設計中完成的6×4個顯示子模塊而言，由于通訊速率限制，畫面更新速度最高可達56800／(129×24+1)=18.34幀／s，由于主控單元還要完成全屏數據的分割和顯示內容的移動控制，所以其實際幀數低于上述值，不過用于普通的圖片顯示已經可以達到要求。   
　　
現場應用中，可以不需要PC上位機，只需把要顯示的信息存儲在主控單元，即可通過主控單元中的按鍵來選擇顯示的內容及方式，可循環顯示，文字信息還可以上下左右滾屏顯示。   

3 系統硬件設計   
　　
該系統由兩部分硬件電路組成：主機板電路和子模塊顯示驅動電路。   

3.1 主機板電路   
　　
主機板電路十分簡潔，由ATmega32組成的最小系統和RS232，RS485接口電路組成。   
　　
主機板上的數據由異步串行口發送到各個子模塊中，為了在提高傳輸速度和距離的情況下仍能夠保證數據傳輸的可靠性，主機板上發出的信息轉換成為RS485信號，采用帶屏蔽層的同軸電纜傳輸到LED子模塊上。轉換所用接口芯片為MAX485，該芯片工作于5V電壓下，最高傳輸速度可達到2.5Mb／s，傳輸距離可達l200m。采用帶屏蔽層的同軸電纜可以降低傳輸過程中產生的信號干擾。   
　　
在需要從PC上位機下載數據到FLASHROM時，通過MAX232芯片實現ATmega32和PC機的通信。   

3.2 子模塊顯示驅動電路   
　　
子模塊顯示驅動電路由RS485轉換電路、子模塊地址標識電路和點陣驅動電路組成。RS485轉換電路和主機板中一樣，同樣采用MAX485作電平轉換。   
　　
由于采用單片機的異步串行口進行多機通信進行數據傳輸，每個子模塊應該有和其位置相對應的地址標識。地址標識電路采用8位并進串出芯片74HCl65和8位撥碼開關組成，因此本系統最多可以容納255個子模塊(地址OxFF作為更新子模塊顯示的控制字)。如果簡單地通過軟件內部的設定來決定各個子模塊的地址，每個AT-MEGA8所對應的程序會有差別，這樣會給程序的燒寫帶來不便，因此采用外部硬件電路對子模塊的地址進行標識。采用74HC165作串并行轉換是為了節省單片機的引腳資源。   
　　
led點陣采用動態掃描法進行驅動，并且實現16階灰度顯示，為了節省單片機程序中掃描程序的時間消耗，提高掃描速度，顯示數據采用并行輸出的方法。驅動電路采用4-16譯碼器74HC154譯碼后驅動16個中功率三極管8550作為行選，2個8位數據鎖存器74LS373作為行數據鎖存。   

  
4 系統軟件設計   

系統軟件設計包括上位機軟件的設計、主機板AT-mega32程序設計、顯示子模塊ATmega8程序設計3部分。   
　　
上位機軟件完成圖像和文字的編輯，通過計算機串行接口把顯示數據傳送到主機板上。主機板接收上位機的數據并通過內部BootLoader區的程序進行FLASHROM內顯示數據的自更新。主機板把顯示數據進行分割處理后發送給每個子模塊，并且完成顯示數據的上下、左右滾屏處理。子模塊通過軟件調制脈沖占空比的方法，實現16階灰度圖像顯示。   
　　
4.1 上位機軟件設計   　　

上位機軟件使用VB開發，主要完成圖像的取點、線性補償和點陣數據生成。首先將圖像文件轉換為96×64分辨率、256階色深的單色灰度圖像，由于使用占空比驅動的LED其占空比／亮度為對數特性，所以需加入指數特性調整為線性之后才能交付顯示系統進行顯示。其計算公式為Dout=15×(Din／255)n。n為比例系數，經實際顯示校對后確定為1.35，同時通過該公式完成從256階灰度到16階灰度的轉換。通過MSComm控件實現PC機與主機板的通信。   
　　
4.2 主機板ATmega32程序設計   
　　
主機部分軟件主要分為按鍵響應處理，顯示數據分割和分割后的數據發送3部分。其中顯示數據的分割占最主要的地位，同時顯示內容的滾屏移動也包括在這部分中。按鍵響應使用外中斷響應，配合定時器TO進行去抖處理后置位按鍵有效標志，在主程序中檢查該按鍵有效標志并進行響應處理。   

  
4.3 顯示子模塊程序設計   
　　
顯示子模塊的軟件分為數據接收和動態刷新顯示2部分。由于子模塊要實現16階灰度的表現，而且還需要實現足夠高的刷新速率以避免產生閃爍現象，所以對刷新顯示部分的速度要求較高。本設計采用的方案為：全屏(每個子模塊為16行×16點／行)刷新分為16份時間片，每份時間片實現一行的掃描。而每行的時間片又分為15個子時間片，其中灰度為最暗的點點亮0個子時間片，灰度為最亮的點點亮15個時間片，由此實現占空比為0／15～15／15共16個級別的平均電流控制，從而實現16階的灰度顯示。通過：MEGA8片內定時器T2，每個子時間片取得52μs的掃描時間，15個子時間片構成一個單行掃描的時間片(52μs×15=780μs)，16個單行掃描時間片又構成一次全屏的掃描(780μs×16=12.48ms)，則刷新頻率約為80Hz，在最高亮度下也可以保證不出現行閃的現象。   

5 結語   
　　
本文提出的基于AVR單片機的LED顯示屏已應用于現場，AVR單片機的看門狗功能使得系統穩定可靠。由于本設計是主從式的解決方案，具有可擴展性，并且采用ISP功能給電路板的調試和系統的維護帶來了很大的方便。實踐證明，本系統可以方便地顯示各種字體的文字信息及16階灰度的圖像，畫面清晰、性能穩定、操作簡便，具有很好的應用價值。