基于AVR单片机的LED显示屏的灰度设计与实现
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1 AVR单片机简介
AVR单片机是增强型内置FLASH的RISC(ReducedInstruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机，硬件采用哈佛(Harward)结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令。支持在系统编程ISP，其中MEGA系列还支持在应用编程IAP。内置的FLASH程序存储器可擦写1 000次以上，给用户的开发生产和维护带来方便。可擦写10万次的E2PROM，为掉电后数据的保存带来方便。AVR单片机有丰富的片内资源，如RTC，WATCHDOG，AD转换器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，I／O口功能强、驱动能力强。
2 系统整体设计方案
LED显示系统主要由3部分构成：PC上位机图像文字转换与数据发送单元、主控单元以及显示子模块。
上位机完成把图像和文字转换成为显示屏的显示码，并且把显示信息发送到主控单元上。主控单元选用具有32 kB片内FLASH ROM和2 kB片内RAM的AT-mega32单片机，没有外挂存储器。如果要存储更多的显示信息，可以选用具有64 kB片内FLASH ROM的AT-mega64或者具有128 kB片内FLASH ROM的AT-megal28，也可以外挂存储器来增大存储能力。主控单元主要完成对显示数据的滚动和分割处理，然后通过异步串行口发送到每个子模块中。每个显示子模块用4片8×8单色点阵块拼成1个16×16的点阵屏，用一片ATmega8完成扫描动态显示。
主控单元与显示子模块的数据通信采用标准的异步串口格式，每帧数据包括1个起始位，8个数据位，1个地址／数据标示位，1个停止位共11位。数据传输码率为625 kb／s，字节传输速率为56.8 kB／s。每个子模块由256个LED构成，实现16阶灰度每个LED需要4 b空间，因此每个显示子模块全屏数据量为128 B，外加1 B的寻址字节共129 B。主控单元更新显示子模块的显示内容时，对所有子模块按地址逐个发送显示数据，更新完所有子模块数据后，再发送一个特殊的地址字0xFF作为控制字，使所有子模块同时更新显示数据，这样可以避免当屏幕较大，显示子模块数量较多时各子模块画面更新不同步的问题。对本设计中完成的6×4个显示子模块而言，由于通讯速率限制，画面更新速度最高可达56 800／(129×24+1)=18.34帧／s，由于主控单元还要完成全屏数据的分割和显示内容的移动控制，所以其实际帧数低于上述值，不过用于普通的图片显示已经可以达到要求。
现场应用中，可以不需要PC上位机，只需把要显示的信息存储在主控单元，即可通过主控单元中的按键来选择显示的内容及方式，可循环显示，文字信息还可以上下左右滚屏显示。
3 系统硬件设计
该系统由两部分硬件电路组成：主机板电路和子模块显示驱动电路。
3.1 主机板电路
主机板电路十分简洁，由ATmega32组成的最小系统和RS 232，RS 485接口电路组成。
主机板上的数据由异步串行口发送到各个子模块中，为了在提高传输速度和距离的情况下仍能够保证数据传输的可靠性，主机板上发出的信息转换成为RS 485信号，采用带屏蔽层的同轴电缆传输到LED子模块上。转换所用接口芯片为MAX485，该芯片工作于5 V电压下，最高传输速度可达到2.5 Mb／s，传输距离可达l 200 m。采用带屏蔽层的同轴电缆可以降低传输过程中产生的信号干扰。
在需要从PC上位机下载数据到FLASH ROM时，通过MAX232芯片实现ATmega32和PC机的通信。
3.2 子模块显示驱动电路
子模块显示驱动电路由RS 485转换电路、子模块地址标识电路和点阵驱动电路组成。RS 485转换电路和主机板中一样，同样采用MAX485作电平转换。
由于采用单片机的异步串行口进行多机通信进行数据传输，每个子模块应该有和其位置相对应的地址标识。地址标识电路采用8位并进串出芯片74HCl65和8位拨码开关组成，因此本系统最多可以容纳255个子模块(地址OxFF作为更新子模块显示的控制字)。如果简单地通过软件内部的设定来决定各个子模块的地址，每个AT-mega8所对应的程序会有差别，这样会给程序的烧写带来不便，因此采用外部硬件电路对子模块的地址进行标识。采用74HC165作串并行转换是为了节省单片机的引脚资源。
LED点阵采用动态扫描法进行驱动，并且实现16阶灰度显示，为了节省单片机程序中扫描程序的时间消耗，提高扫描速度，显示数据采用并行输出的方法。驱动电路采用4-16译码器74HC154译码后驱动16个中功率三极管8550作为行选，2个8位数据锁存器74LS373作为行数据锁存。
4 系统软件设计
系统软件设计包括上位机软件的设计、主机板AT-mega32程序设计、显示子模块ATmega8程序设计3部分。
上位机软件完成图像和文字的编辑，通过计算机串行接口把显示数据传送到主机板上。主机板接收上位机的数据并通过内部Boot Loader区的程序进行FLASH ROM内显示数据的自更新。主机板把显示数据进行分割处理后发送给每个子模块，并且完成显示数据的上下、左右滚屏处理。子模块通过软件调制脉冲占空比的方法，实现16阶灰度图像显示。
4.1 上位机软件设计
上位机软件使用VB开发，主要完成图像的取点、线性补偿和点阵数据生成。首先将图像文件转换为96×64分辨率、256阶色深的单色灰度图像，由于使用占空比驱动的LED其占空比／亮度为对数特性，所以需加入指数特性调整为线性之后才能交付显示系统进行显示。其计算公式为Dout=15×(Din／255)n。n为比例系数，经实际显示校对后确定为1.35，同时通过该公式完成从256阶灰度到16阶灰度的转换。通过MSComm控件实现PC机与主机板的通信。
4.2 主机板ATmega32程序设计
主机部分软件主要分为按键响应处理，显示数据分割和分割后的数据发送3部分。其中显示数据的分割占最主要的地位，同时显示内容的滚屏移动也包括在这部分中。按键响应使用外中断响应，配合定时器TO进行去抖处理后置位按键有效标志，在主程序中检查该按键有效标志并进行响应处理。
4.3 显示子模块程序设计
显示子模块的软件分为数据接收和动态刷新显示2部分。由于子模块要实现16阶灰度的表现，而且还需要实现足够高的刷新速率以避免产生闪烁现象，所以对刷新显示部分的速度要求较高。本设计采用的方案为：全屏(每个子模块为16行×16点／行)刷新分为16份时间片，每份时间片实现一行的扫描。而每行的时间片又分为15个子时间片，其中灰度为最暗的点点亮0个子时间片，灰度为最亮的点点亮15个时间片，由此实现占空比为0／15～15／15共16个级别的平均电流控制，从而实现16阶的灰度显示。通过：MEGA8片内定时器T2，每个子时间片取得52μs的扫描时间，15个子时间片构成一个单行扫描的时间片(52 μs×15=780μs)，16个单行扫描时间片又构成一次全屏的扫描(780 μs×16=12.48 ms)，则刷新频率约为80 Hz，在最高亮度下也可以保证不出现行闪的现象。
5 结 语
本文提出的基于AVR单片机的LED显示屏已应用于现场，AVR单片机的看门狗功能使得系统稳定可靠。由于本设计是主从式的解决方案，具有可扩展性，并且采用ISP功能给电路板的调试和系统的维护带来了很大的方便。实践证明，本系统可以方便地显示各种字体的文字信息及16阶灰度的图像，画面清晰、性能稳定、操作简便，具有很好的应用价值。
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