摘要:設(shè)計使用宏晶科技的8位單片機(jī)STC12C5A60S2作為中央控制器,結(jié)合NAND閃存芯片K9F4008存儲漢字庫的8×128點(diǎn)陣LED數(shù)字屏,該點(diǎn)陣LED數(shù)字屏具有存儲信息后離線顯示的功能??蓱?yīng)用到多種顯示環(huán)境,尤其像汽車等移動工具上的脫機(jī)顯示環(huán)境。
關(guān)鍵詞: LED顯示; 單片機(jī); NAND Flash存儲器; 點(diǎn)陣字庫
自上世紀(jì)90年代以來,隨著LED顯示技術(shù)設(shè)計制造水平的不斷提高,LED數(shù)字屏逐漸在生產(chǎn)和生活中大量使用,LED數(shù)字屏以其特有的顯示介質(zhì),在大面積,全天候,高亮度和超高亮度顯示屏領(lǐng)域凸現(xiàn)優(yōu)勢。LED顯示技術(shù)發(fā)展的十幾年中,新器件和新技術(shù)不斷采用,制造成本逐漸降低,生產(chǎn)分工不斷細(xì)化,但大量應(yīng)用的同時也暴露出LED顯示技術(shù)的若干缺陷,總體上技術(shù)尚未成熟,標(biāo)準(zhǔn)尚未完全建立,有許多方面值得進(jìn)行更深入的研究與改進(jìn)。
隨著大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展,微處理器的運(yùn)算、控制能力大大增加,單片計算機(jī)已在很多工業(yè)及民用系統(tǒng)中承擔(dān)智能化的任務(wù),與迅猛發(fā)展的運(yùn)算速度相比,其端口擴(kuò)展能力則遜色得多(數(shù)目有限且擴(kuò)展困難),因此研發(fā)過程中不得不在節(jié)省端口上投入大量精力,目前國內(nèi)為解決端口擴(kuò)展問題可采用軟件處理的方式,這樣加重了軟件編寫的難度,或采用擴(kuò)展端口的專用芯片。這兩種方法將引起軟件成本的提高或硬件電路復(fù)雜度的提高,不利于一些小型系統(tǒng)的研發(fā),STC12C5A60S2單片機(jī)具有多種串行傳輸模式,在一定程度上解決了這個矛盾。
LED數(shù)字屏應(yīng)用非常廣泛,不僅能顯示文字,還能顯示各種圖形、圖表,甚至各種動畫效果,是廣告宣傳、新聞傳播的有力工具。
本文采用STC12C5A60S2單片機(jī)、接口NAND 閃存和上位PC機(jī),實(shí)現(xiàn)了對16×128點(diǎn)陣LED數(shù)字屏的控制。
1 芯片選型
1.1 屏體
由于屏體是商業(yè)成品,因此系統(tǒng)芯片的選型首選為能與屏體配合的芯片。屏體自備電源,能直接將蓄電池的能量轉(zhuǎn)變?yōu)? V的直流電源,并且這個電源也通過屏體的接口電纜輸出到系統(tǒng)板上。因此系統(tǒng)可直接引用該電源,不必自備電源電路。
1.2 單片機(jī)
綜合考慮屏體和系統(tǒng)需求,選用國內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)STC12C5A60S2。
STC12C5A60S2是新一代高速8051單片機(jī),其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,其工作電壓范圍是3.5 V~5.5 V,滿足要求的電壓。由于是單周期的8051(傳統(tǒng)8051是12周期),可選擇較易于獲得準(zhǔn)確波特率的11.059 2 MHz晶振,而不必?fù)?dān)心工作速度降低。
STC12C5A60S2有60 KB的用戶應(yīng)用程序空間,256 B的RAM和1024 B的XRAM。能滿足程序代碼的需求和緩沖區(qū)定義的需求。另有與程序存儲空間獨(dú)立的一片閃存區(qū)域,可在應(yīng)用編程中作EEPROM使用。
STC12C5A60S2有雙UART以及ISP串口,串口資源足夠系統(tǒng)使用。另外通過宏晶科技提供的軟件,使用UART可很容易地實(shí)現(xiàn)程序下載。STC12C5A60S2有36個通用I/O口,大部分可位控,并具有強(qiáng)推挽輸出的能力,足夠系統(tǒng)使用。
STC12C5A60S2有4個16 bit定時器和一個獨(dú)立的波特率發(fā)生器,另外還有兩個PCA模塊,能獲得豐富的定時器資源。STC12C5A60S2有PDIP-40封裝的芯片,易于快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。
1.3 閃存
因?yàn)?6×16點(diǎn)陣的漢字庫容量在250 KB左右,而MCS51的尋址空間只有64 KB。接口大于64 KB容量的普通存儲芯片就必須進(jìn)行總線擴(kuò)展,采用兩次鎖存地址的方法來讀寫,既需要復(fù)雜的電路,又占用較長的存取時間。同樣,NOR閃存與EPROM的引腳結(jié)構(gòu)相類似,有同樣的接口復(fù)雜性,成本也十分高。要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與字庫芯片的簡單接口(不需擴(kuò)展),只能選用串行結(jié)構(gòu)的存儲器或命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線結(jié)構(gòu)的存儲器。
串行結(jié)構(gòu)的存儲器多為EEPROM,沒有很大的容量,不適合做字庫芯片。因此只有選用命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線的NAND閃存作為字庫存儲芯片。
字庫所需的容量不大,但最好能5 V供電,且編程的緩存要求較小的芯片。SAMSUNG公司出品的K9F4008W是一款512 KB的NAND閃存,僅有8個IO端口,且工作電壓范圍較廣(3 V~5.5 V),可以兼容3 V和5 V的硬件系統(tǒng),并且?guī)幊虝r僅需要32 B的緩沖,正適合作為字庫存儲的芯片。
因此,閃存芯片的可電擦寫特性頁非常適用于需要更換字庫的場合。故該芯片是十分理想的漢字庫存儲器。
2 電路設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的電路的原理圖如圖1所示。
3 總體設(shè)計
3.1屏體接口模塊
屏體接口包括屏體接口頭文件、屏幕緩沖區(qū)的定義、屏體接口初始化、刷新定時器中斷服務(wù)程序和SPI中斷服務(wù)程序幾個部分。
屏體接口的頭文件screen.h應(yīng)該使屏幕緩沖區(qū)對其他應(yīng)用可見,并提供屏體初始化函數(shù)[4]。具體定義如下:
#ifndef _SCREEN_H_
#define _SCREEN_H_
#include "inc\board.h"
extern u8 xdata SCR_BUF[16][16];
void screen_init(void);
#endif
這樣就把屏幕緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)暴露給應(yīng)用,但應(yīng)用不必關(guān)心具體的屏幕刷新操作。
具體屏體接口的實(shí)現(xiàn)集中在一個文件screen.c中定義。具體如下:
首先是屏幕緩沖區(qū)定義:
u8 xdata SCR_BUF[16][16]_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes
其次是當(dāng)前顯示行和輸出列變量定義,屬于靜態(tài)變量,應(yīng)用程序不可見。
static u8 data row,col;
然后是屏幕初始化,包括刷新定時器0的初始化、SPI的初始化、鎖存bLatch信號的初始化、屏幕緩沖區(qū)的初始清零以及定時器和SPI中斷的優(yōu)先權(quán)和使能位的初始化[3]。代碼略。
SPI和定時器0的中斷服務(wù)程序是屏體接口的關(guān)鍵。
定時器0的中斷服務(wù)程序首先進(jìn)行掃描行增量取模運(yùn)算,并將掃描行輸出。然后依據(jù)掃描行取出屏幕緩沖區(qū)對應(yīng)行的第一個字節(jié)發(fā)送到SPI端口。同時列增量。
void display_one_screen(void)interrupt 1 using 3{
row = (++row)&0x0f;
P0 = (P0 & 0xf0)|((~row)& 0xf);
col = 0;SPDAT = ~SCR_BUF[row][col++];
}
這樣編寫的屏體驅(qū)動,應(yīng)用只要在初始化屏體后,向屏幕緩沖區(qū)中寫入要顯示的數(shù)據(jù)即可,而不必關(guān)心屏幕顯示的細(xì)節(jié)。
3.2 UART接口
UART接口負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā),盡管發(fā)送可以同步進(jìn)行,但接收必須異步進(jìn)行。因而UART接口的核心仍然應(yīng)該是一個中斷服務(wù)程序。
UART接口的頭文件uart.h隱藏了接收緩沖區(qū)的信息,用戶可調(diào)用的函數(shù)只有初始化、發(fā)送和接收[1]。
#ifndef _UART_H_
#define _UART_H_
void uart_init(void);
void uart_put_c(u8 ch);
u8 uart_get_c(u8 *);
#endif
UART的接口實(shí)現(xiàn)首先定義一個接收緩沖FIFO,以及對FIFO的讀下標(biāo)uart_rd和寫下標(biāo)uart_wr,他們都是文件內(nèi)可見的靜態(tài)變量:
static u8 xdata uart_buf[64];
static u8 uart_rd,uart_wr;
bit fSend
UART的初始化包括進(jìn)行FIFO的初始化和UART格式、波特率、中斷的初始化。代碼略。
UART的ISR主要是服務(wù)于接收,無條件地將數(shù)據(jù)裝入FIFO,并調(diào)整寫入指針。
static void uart_isr(void)interrupt 4 using 1{
if(RI){RI = 0;
uart_buf[uart_wr++] = SBUF;
uart_wr &= 0x0f;
}
}
提供給用戶的發(fā)送程序首先檢測發(fā)送結(jié)束標(biāo)記,如果為0,表示上次發(fā)送尚未結(jié)束,直接返回錯誤信息1。否則將要發(fā)送的信息發(fā)送并清零發(fā)送結(jié)束標(biāo)記。這樣設(shè)計的發(fā)送程序,其目的是將發(fā)送等待不限制在接口底層,而是給上層一個決定是否等待發(fā)送結(jié)束的機(jī)會。
u8 uart_put_c(u8 ch){
if(!TI)return 1;
TI = 0;SBUF = ch; return 0;
}
同樣,接收程序也給上層一個選擇等待的機(jī)會。接收函數(shù)首先判斷接收FIFO是否為空,如果為空或輸入指針參數(shù)錯誤,則直接返回錯誤,否則才從FIFO中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到指針指向的地址,然后返回成功。
u8 uart_get_c(u8 *ch){
u8 i;
if(!ch)return 1;
if((i = (uart_rd+1)&0x0f) == uart_wr)return 1;
uart_rd = i; *ch = uart_buf[i];return 0;
}
3.3 閃存接口
閃存的存取有特殊的時序,閃存的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也和具體應(yīng)用要求有很大的不同。因此閃存的接口需要仔細(xì)設(shè)計。
K9F4008閃存芯片的存儲結(jié)構(gòu)組織如圖2[5]所示。
K9F4008閃存的存儲以塊為單位,每個芯片共有128塊。每塊有32行,每行有4個幀,每幀含有32 B。全部芯片為512 KB。
閃存接口提供的閃存初始化函數(shù)中就包括對這樣情況的處理。初始化函數(shù)要從閃存的第一個塊中讀出一個塊映射表,該表下標(biāo)是邏輯扇區(qū),表內(nèi)每項(xiàng)存儲的是該邏輯扇區(qū)對應(yīng)的物理塊編號。初始化函數(shù)在必要時對閃存進(jìn)行讀寫校驗(yàn),然后將壞塊從表中刪除。再尋找新的良好塊,將其編號填入到對應(yīng)邏輯扇區(qū)的表項(xiàng)中。這樣對應(yīng)用來說,只見到連續(xù)的扇區(qū)編號,而不知道扇區(qū)究竟對應(yīng)到那個塊[2]。
閃存的接口頭文件flash.h如下:
#ifndef _K9F4008_H_
#define _K9F4008_H_
void read_log_page(u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf);
u8 prog_log_page(u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf);
void erase_log_blk(u8 sector);
bit flash_init(void);
#endif
實(shí)現(xiàn)閃存的接口,首先就是依據(jù)說明書的時序定義閃存的基本操作。這里是以宏定義實(shí)現(xiàn)基本操作的。
#define W_CMD(cmd_)\
bCLE=1; bWE=0; P2=(cmd_); bWE=1; bCLE=0
#define W_ADDR(addr1_,addr2_,addr3_)\
bALE=1; bWE=0; P2=(addr1_); bWE=1; \
bWE=0; P2=(addr2_); bWE=1; \
bWE=0; P2=(addr3_); bWE=1; \
bALE=0
#define W_DAT(dat_) bWE=0; P2=(dat_); bWE=1
#define wait_RB while(!bRB)
#define l2p(x_) fat_tbl[(x_)]
3.4 EEPROM
內(nèi)部集成的EEPROM是與程序空間分開的,利用ISP/IAP技術(shù)可將內(nèi)部DATAFLASH當(dāng)EEPROM,擦寫次數(shù)10萬次以上。EEPROM可分為若干個扇區(qū),每個扇區(qū)包含512 B。使用時,建議同一次修改的數(shù)據(jù)放在同一個扇區(qū),不是同一次修改的數(shù)據(jù)放在不同的扇區(qū),不一定要用滿。數(shù)據(jù)存儲器的擦除操作是按扇區(qū)進(jìn)行的。
sfr IAP_DATA = 0xC2; //Flash data register
sfr IAP_ADDRH = 0xC3; //Flash address HIGH
sfr IAP_ADDRL = 0xC4; //Flash address LOW
sfr IAP_CMD = 0xC5; //Flash command register
sfr IAP_TRIG = 0xC6; //Flash command trigger
sfr IAP_CONTR = 0xC7; //Flash control register
根據(jù)使用說明對EEPROM的寄存器進(jìn)行定義。
參考文獻(xiàn)
[1] 石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社,2002.
[2] 王標(biāo),周新志.嵌入式系統(tǒng)中NAND Flash寫平衡的研究[J].微計算機(jī)信息,2008,24(5-2):8-9,26.
[3] 黎友盛,周菁菁.大屏幕LED顯示屏的高速控制方案 [J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(09):48-50.
[4] 石長華,周杰.基于Proteus的單片機(jī)漢字點(diǎn)陣顯示設(shè)計與仿真[J].景德鎮(zhèn)高專學(xué)報,2007,22(04):1-3.
[5] K9F4008W0A-TCB0[EB/OL]. http:// http://www.samsung.com.
[6] 康志亮,廖國剛.LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].云南民族大學(xué)學(xué)報,2006,15(04):297-301.