摘  要： 設(shè)計了一種彩色點陣LED大屏幕的控制器，該控制器采用單片機讀取存儲在SD上的點陣數(shù)據(jù)文件，按幀串行地輸出到LED控制芯片并刷新LED屏幕顯示。該控制器能夠存儲并動態(tài)顯示靈活多樣的文字或者動畫，具有性價比高、體積小等優(yōu)點。

　　關(guān)鍵詞： 點陣LED屏幕；控制器；ATmega644

0 引言

　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，商品的廣告以多種多樣的方式呈現(xiàn)在消費者面前。其中，戶外的點陣LED式廣告牌越來越受到商家的歡迎，其樣式多種多樣，可任意顯示各種文字和圖形，并具有高亮度、防水、節(jié)能、壽命長等優(yōu)點，用途越來越廣泛[1-3]。

　　點陣LED屏幕控制器負責(zé)對LED顯示內(nèi)容進行控制和實時更新，是LED屏幕工作的必需部分。LED控制器的工作原理、顯示內(nèi)容存儲或獲取方式、刷新速度等因素都關(guān)系到LED廣告牌的顯示效果和工作的便利性[4-5]。考慮到目前點陣LED屏幕控制器市場存在較多問題，本文基于單片機、彩色點陣LED驅(qū)動控制芯片和SD卡，設(shè)計了一種彩色點陣LED屏幕控制器。設(shè)計的彩色點陣LED屏幕控制器能夠選擇并循環(huán)顯示存儲在SD卡上的點陣數(shù)據(jù)文件，能調(diào)節(jié)顯示速度，并能夠根據(jù)需求并聯(lián)工作，實現(xiàn)對更大規(guī)模的點陣LED的控制，具有調(diào)節(jié)和更換顯示內(nèi)容方便、結(jié)構(gòu)簡單、可擴展、可靠性高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)概述

　　彩色點陣LED屏幕控制器主要由單片機、SD卡、電源及相應(yīng)的輸出電路組成。另外在點陣LED驅(qū)動部分，采用與LED集成在一起的控制芯片進行控制，專用的橫流電源為其供電。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　單片機主要負責(zé)讀取SD卡內(nèi)存儲的點陣數(shù)據(jù)，讀取完一幀數(shù)據(jù)后，通過驅(qū)動電路串行地發(fā)送給LED控制芯片。此LED控制芯片能夠接收并存儲9 B的點陣數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)相鄰3個像素點的RGB亮度數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)超過9 B時，LED控制芯片會把數(shù)據(jù)串行地發(fā)送給相鄰的下一級控制芯片，直至所有的控制芯片都接收到點陣數(shù)據(jù)，就可以進行一次顯示。

2 硬件設(shè)計

　　在彩色點陣LED控制器的硬件上，主要設(shè)計了基于ATmega644單片機、SD卡最小系統(tǒng)及其驅(qū)動電路等。而在LED控制芯片上則選用Titan Micro公司生產(chǎn)的TM1809的具有9通道LED驅(qū)動控制專用芯片。

　　以下將分別介紹ATmega644單片機及SD卡最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路和LED控制電路。

　　2.1 ATmega644最小系統(tǒng)

　　ATmega644單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機，具有64 KB的閃存、4 KB的內(nèi)存，最高運行頻率為20 MHz。該單片機的指令為單周期指令，執(zhí)行效率很高，支持在線下載。ATmega644單片機及SD卡最小系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

　　ATMega644單片機最小系統(tǒng)由5 V供電電源、晶振、復(fù)位電路和程序在線下載電路組成。ATMega644的復(fù)位電路由電阻、電容、二極管和一個微動開關(guān)組成，能起到延時啟動，按下開關(guān)瞬時重啟的作用。單片機系統(tǒng)的晶振采用的是11.059 2 MHz的晶振，也可根據(jù)需要更換為20 MHz的晶振以提高運行速度。與ISP在線下載電路相連的是單片機的SPI接口和復(fù)位接口。單片機的供電電源為5 V，還需要額外的電源芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V電源供給SD使用。

　　SD與單片機相連接的電路也是SPI接口，可以用單片機的SPI接口方便地與SD卡進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。單片機的在線編程接口和SD卡與單片機通信用到的都是SPI接口，但是由于在線編程是SPI接口與復(fù)位接口配合使用的，因此并不會產(chǎn)生沖突。另外，由于單片機接口與SD卡接口的電源電壓分別為5 V和3.3 V，并不兼容，因此在線路上串接有100 Ω的電阻，以達到可靠通信的目的。另外在靠近SD卡端的所有數(shù)據(jù)線上都加上了上拉電阻，以提高通信的可靠性。

　　2.2 驅(qū)動電路

　　由于單片機接口的負載能力有限，很難驅(qū)動距離較遠的芯片，因而需要提高其驅(qū)動能力后再連接后續(xù)電路，以便達到信號可靠傳輸?shù)哪康摹１疚牟捎玫尿?qū)動電路原理圖如圖3所示。

　　該驅(qū)動電路采用的芯片為74HC245，是一種三態(tài)輸出、八路信號收發(fā)器，其接口的輸入、輸出電流能夠達到35 mA，在設(shè)計中，采取兩路收發(fā)器共同發(fā)送同一個信號，其最大能夠輸出或輸入70 mA的電流，保證了信號的可靠傳輸。由于該電路的信號傳輸是單向的，由單片機到LED控制電路，因此74HC245方向控制端接高電平，數(shù)據(jù)傳輸方向由端口A到B。

　　2.3 LED控制電路

　　LED控制芯片上則選用的是Titan Micro公司生產(chǎn)的TM1809，該芯片內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動等電路，通過外圍MCU控制實現(xiàn)該芯片的每路單獨輝度、級聯(lián)控制實現(xiàn)戶外大屏的彩色點陣發(fā)光控制。該芯片共有9個輸出端口，能夠連接9個LED，實現(xiàn)控制3個RGB像素的24位色彩控制。通過多級串聯(lián)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對彩色點陣LED顯示屏的控制。LED控制電路原理圖如圖4所示。

　　在圖4中，TM1809的14腳為串行數(shù)據(jù)輸入腳，連接單片機驅(qū)動電路上的DAT1腳；其第3腳為串行數(shù)據(jù)輸出腳，連接下一級TM1809的14腳，按照這種連接方式實現(xiàn)級聯(lián)控制。在接收點陣數(shù)據(jù)時，每一級芯片接收完9 B的點陣數(shù)據(jù)后會自動把數(shù)據(jù)串行地發(fā)送給下一級控制芯片。

3 軟件設(shè)計

　　LED控制器的正常運行需要編寫相應(yīng)的單片機軟件。本文設(shè)計的LED控制器中，單片機的主要功能是通過SPI接口初始化和讀取SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，并通過單片機端口串行地把數(shù)據(jù)發(fā)送給TM1809，直到發(fā)送完整幀的數(shù)據(jù)，然后控制TM1809輸出當(dāng)前幀數(shù)據(jù)給LED顯示，接下來再處理下一幀數(shù)據(jù)。

　　設(shè)計單片機軟件的難點在于SD卡數(shù)據(jù)的讀取和驅(qū)動TM1809。其中，SD卡中存儲數(shù)據(jù)文件用到的是FAT32文件系統(tǒng)，需要單片機軟件根據(jù)FAT表的信息判斷文件存儲的位置、幀大小、每扇區(qū)幀數(shù)等信息，以便完整地讀取所需要的文件內(nèi)容。

　　由于單片機向TM1809發(fā)送數(shù)據(jù)采用的是單線串行發(fā)送，因此需要準確地控制數(shù)據(jù)時序。TM1809對數(shù)字“0”的規(guī)定為600 ns的高電平，緊接著1 200 ns的低電平；對數(shù)字“1”的規(guī)定為1 200 ns的高電平，緊接著600 ns的低電平；10 μs以上的持續(xù)低電平為復(fù)位信號。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，緊接著發(fā)送一個復(fù)位信號，TM1809會將當(dāng)前存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到LED顯示。

　　單片機程序的流程圖如圖5所示。單片機上電后首先進行端口、SPI接口和SD卡的初始化工作，這些工作完成后將讀取SD卡起始幀的數(shù)據(jù)，并以此判斷分區(qū)格式、分區(qū)表的位置等信息。讀取分區(qū)表內(nèi)容，根據(jù)撥碼開關(guān)決定所需讀取數(shù)據(jù)的文件名，并由分區(qū)表判斷此文件起始幀的位置。接下來就可以讀取數(shù)據(jù)文件的第一幀，其第一幀并不是點陣數(shù)據(jù)，而是點陣數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)、幀數(shù)等信息，第二幀才是點陣數(shù)據(jù)，讀取后發(fā)送給TM1809顯示。在接續(xù)讀取和發(fā)送點陣數(shù)據(jù)之前要判斷撥碼開關(guān)是否變化，變化意味著要切換顯示文件；還要判斷是否是最后一幀數(shù)據(jù)，如果都不是，則接續(xù)讀取下一幀數(shù)據(jù)。

　　除此之外，本文還設(shè)計了點陣數(shù)據(jù)文件的存儲格式。點陣數(shù)據(jù)文件在SD卡中以512 B為單位進行存儲。其第一個512 B存儲的數(shù)據(jù)為點陣數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)、幀數(shù)等數(shù)據(jù)，不足512 B的空間將以0xFF補滿。從第二個512 B開始將是點陣數(shù)據(jù)，若一幀點陣數(shù)據(jù)不足512 B，同樣以0xFF補滿，超出512 B將占用第二個直至更多個512 B，不足512 B的空間將以0xFF補滿。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種彩色點陣LED屏幕控制器，該控制器通過單片機讀取SD卡中的點陣數(shù)據(jù)，串行地發(fā)送到LED控制芯片中，刷新LED顯示動態(tài)圖像。同時，該控制器能夠通過撥碼開關(guān)調(diào)節(jié)顯示內(nèi)容和顯示速度，并能夠通過并行連接多個控制器同步工作實現(xiàn)更大規(guī)模的顯示屏控制；并具有性價比高、體積小等優(yōu)點。

　　參考文獻

　　[1] 王有乾，佘焱，姜建國.LED大屏幕異步控制器多窗口顯示的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2007，23（20）：104-106.

　　[2] 田秀偉，鄭喜鳳，丁鐵夫.基于SOPC的LED顯示屏控制器設(shè)計[J].液晶與顯示，2007，22（6）：737-741.

　　[3] 呂常智，范迪.基于CPLD的LED點陣顯示控制器[J].微計算機信息，2006，22（32）：218-219，233.

　　[4] 梁志明，李斌.基于FPGA的大屏幕全彩LED掃描控制器設(shè)計[J].液晶與顯示，2007，22（4）：477-481.

　　[5] 陳雁，安建平，徐紹劍.基于FPGA的全彩色大屏幕LED控制器設(shè)計[J].電子器件，2007，30（6）：2155-2158.