基于多端口串行Flash的条形LED显示屏控制

在LED 显示屏应用中，超长条形LED 屏是非常广泛的一种形式，其特点是长度“特别长”而宽度窄。 超长LED 显示屏目前没有明确的定义，可以将其水平方向的点数定义为≥2 048 比较合适。

以由1 /4 扫描P10 单元板(点间距10 mm) 组成的超长条形LED 显示屏为例，当水平方向的点数为2 048 时，其水平方向物理尺寸为20. 48 m. LED 屏的宽度(垂直方向) 点数一般为16、24 和32 点，最多不超过64 点，应用中以能够显示一行各类字体的汉字为主。 为保证刷新率，在对超长LED 显示屏的控制上，要求在规定时间内送出更多数据，普通的LED 显示屏控制卡很难实现控制要求。

本文在分析现有各种条形LED 显示屏单元板电路的基础上，提出了一种基于多端口串行Flash存储器的LED 显示控制系统。 利用单片机的SPI接口产生可控时钟，将多端口串行Flash 存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED 显示屏。

1 常用单元板内部串行移位寄存器连接方式

图1 为3 种常用单元板内部串行移位寄存器连接方式。 其中图1(a) 为单元板74HC595 与LED发光管点阵连接关系及简化表示电路。 LED 显示屏单元板内部使用的串行移位寄存器一般为74HC595、MBI5026 或MBI5026 兼容芯片，而MBI5026 可以看成是由两片74HC595 级联构成，为恒流源驱动模式，更适合LED 的驱动。

图1(b) 、(c) 、(d) 分别为P10、P16、F3. 75 或F5. 0单元板的连接方式。

图1 3 种常用单元板内部串行移位寄存器连接方式

2 超长LED 显示屏面临的问题及解决方案

目前，市场上大量的门头屏( 条形LED 显示屏)是LED 显示屏应用最广的一种形式。从技术上来说，门头屏的水平方向点数从256 点至数千点，而高度一般不超过64 点。随着市场需求和显示精度的提高，数千点长度的超长LED 显示屏需求量在不断加大。 普通的LED 显示屏控制卡难于满足刷新率的要求，以在长度上像素点是4 096 的F3. 75 LED 显示屏为例，设刷新率为60 Hz，其SCK时钟周期至少为106 /60 /16 /4 096 = 0. 254 μs = 254 ns.

解决超长LED 显示屏数据输出的方法有两种：一是选择高性能嵌入式处理器和FPGA 芯片，该方法控制卡成本较高;二是巧妙应用单片机上的特殊功能部件并优化组织数据算法，这种方法成本很低。本文采用的就是第2 种方法，通过优化算法将数据预先写入多端口串行Flash 存储器SST26VF016B 中，利用STC12C5616 单片机的SPI部件产生高速可控SCK 时钟，将多端口串行Flash存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED 显示屏中，满足超长LED 显示屏的显示要求。

超长LED 显示屏高度一般不超过64 点，若控制1 /16 扫描单色LED 显示屏，SST26VF016B 存储器的4 位数据端口正好满足LED 显示屏数据口宽度的需要。图2 为SST26VF016B 存储器的控制时序，CS 为SST26VF016B 存储器的片选端，所有对存储器的操作都要在CS 为低电平期间进行;SCK 为时钟线，当空闲模式时，SCK 信号可以处于低电平状态( MODE 0)，也可以处在高电平状态( MODE 3) ; SIO( 3∶ 0) 为4 位数据端口，在数据传输时，先传字节的高4 位，再传字节的低4 位。从存储器的控制时序可以看出，对存储器的控制按照命令字、24 位存储地址、虚拟字节、数据字节0 到数据字节N 的顺序发送。存储器的命令字可以实现对存储器进行片擦除、扇区擦除、单字节读写、连续字节读写等功能，完全能够满足超长LED 显示屏对存储器的容量和控制方式的要求。

图2 SST26VF016B 存储器的控制时序。

STC12C5616 是STC 公司推出的高速1T 单片机，时钟频率可达30 MHz 以上，其内部集成一个高速串行通信接口部件( 即SPI 接口)。当STC12C5616 的SPI 部件采用主模式工作时，其SPI时钟输出频率( fclk) 可以达到晶振频率( fosc) 的1 /4 倍，并且可以灵活配置它的时钟相位和时钟极性，既满足对SST26VF016B存储器控制的要求，又满足超长LED 显示屏对时钟的要求。

3 超长LED 显示屏控制卡电路设计

利用串行Flash 存储器SST26VF016B 的多位数据口存储器和STC12C5616 单片机的SPI 部件能产生高速SCK 时钟的特点，将显示数据从串行Flash存储器旁路输出至LED 显示屏，电路如图3 所示。

图3 超长LED 显示屏控制卡电路图。

当显示屏的动态刷新速率达到50 次/s 时，在1 /16 扫描的LED 显示屏上，一行显示时间要小于1 /50 /16 s，即1. 25 ms. 在控制卡设计上，当fosc =22 MHz时，串行Flash 时钟频率fclk = 1 /4 fosc =5. 5 MHz，故4 096 个CLK 时钟所需时间为4 096 × 1 /(5. 5 × 106 ) s = 0. 744 ms，加上采用SQI协议发送存储器指令和地址的时间后也小于1. 25 ms，故在图3 中，单片机STC12C5616 的外部时钟选择22 MHz 时钟，就可以保证在SQI 协议方式下实现4 096 超长显示屏的显示。

单片机STC12C5616 的外部时钟选择22. 118 4 MHz，便于串行口波特率的精确控制;引脚P3. 0和P3. 1为UART 接口，通过通信接口芯片MAX232 芯片实现控制卡和PC 机之间的通信连接;引脚P2. 0 ~ P2. 3为4 位数据线，该数据线一方面连接存储器SST26VF016B 的4 位数据口，另一方面通过74HC245 驱动后连接到LED 单元板输出接口的数据线上。在控制卡上设计有2 个单色LED单元板输出接口，接口J1 使用数据线D0和D1，接口J2 使用数据线D2和D3; 引脚P1. 7为SPI 时钟输出，SPI 时钟输出线同时连接到串行Flash 存储器SST26VF016B 和LED 单元板的时钟输入;引脚P1. 4为串行Flash 存储器SST26VF016B 的片选信号; 引脚P3. 5为LED 单元板的数据锁存信号;引脚P3. 7为LED 单元板的使能信号输出;引脚P1. 0 ~P1. 3为LED 单元板的行选择信号输出;J1 和J2 连接头用来连接显示屏在高度方向上的LED 单元板，以符合门头屏64 点高度要求。[!--empirenews.page--]

该电路的设计可以灵活地在单片机、串行存储器和LED 单元板相互之间实现3 种不同的数据访问模式，分别是：

(1) 单片机和存储器之间的正常访问。

由图3 可以看出，单片机STC12C5616 和串行Flash 存储器SST26VF016B 之间的连接是参照数据手册进行连接的，可以实现正常的数据存取，同时该数据也会进入LED 单元板上的移位寄存器缓冲区，但只要LED 单元板上的数据锁存RCK 没有得到有效信号，进入LED 单元板的数据是不显示出来的无效数据。

(2) 单片机和LED 单元板之间数据通信。

将单片机引脚P1. 4置高电平，即将串行Flash存储器的使能端无效，这时存储器的数据端口呈高阻状态，单片机和LED 单元板之间数据通信就不会受到存储器数据口的影响，可以将单片机的数据正常输出到LED 单元板上。

(3) 存储器和LED 显示屏之间的数据传输。

首先采用第(1) 种模式，单片机先向串行存储器输出命令字、存储地址和虚拟字节，然后将单片机的数据口P2. 0 ~ P2. 3全部置高电平，通过SPI 时钟从串行存储器读取显示数据，同时以“DMA”方式进入LED 单元板，当读取完一行数据后，在LED单元板上的数据锁存端RCK 上产生有效信号，就可以显示该行数据。当采用这种模式时，一定要将单片机STC12C5616 的引脚P2. 0 ~ P2. 3设置为“弱上拉”模式。

4 超长LED 显示屏显示程序设计

在1 /16 单色LED 显示屏硬件电路设计中，74HC595 采用直通方式连接。根据直通方式特点，预先对单色显示数据进行优化组织，将组织后的显示数据预先存放在串行Flash 存储器SST26VF016B 中。如图4 所示，单片机输出显示每行数据时按“输出数据→送移位脉冲→地址加1”的顺序重复进行，显示完一行后，RCK 锁存显示，通过ABCD 切换行选通线。

图4 1 /16 扫描单色F3. 75 或F5. 0 单元板( 64 × 32 点) 连接方式。

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以LED 显示屏的水平方向点数为4 096 点为例，其显示一帧数据的程序代码如下：

woid Display(unsigned long begin_Addr)

{

unsigned char Ln

，Bv = 1;

unsigned int Data_Length，Lw = 4096;

unsigned long Addr;

Data_Length = Bv* Lw

) ;

for ( Ln = 0; Ln < 16; Ln + + )

{

Addr = Begin_Addr + Ln* Data_Length;

CS = 0;

SendSQI_Byte( 0x0B) ; / /送读命令

/ /送3 个字节地址

SendSQI_Byte( ( Addr > 16) &0xff) ;

SendSQI_Byte( ( Addr > 8) &0xff) ;

SendSQI_Byte( ( Addr&0xff) ;

SendSQI_Byte( ( 0xff) ; / /送虚字节

P2 = P2 |0x0f;

SPCTL = 0xd0; / /允许SPI 接口

SPDAT = 0xff; / /启动第1 次SPI 发送

Data_Length = ( Data_Length> 3) - 1;

while( Data_Length! = 0)

{ / /SPI 时钟每次传输8 个脉冲

while( ( SPSTAT&0x80) == 0) ;

SPSTAT = 0x80; / /清接收标志

SPDAT = 0xff; / /启动SPI 发送

Data_Length -- ;

}

while( ( SPSTAT&0x80) == 0) ;

SPSTAT = 0x80; / /清接收标志

SPCTL = 0x90; / /禁止SPI 接口

CS = 1; /* disable devicce * /

EN = 0;

RCK = 1; RCK = 0;

PI = ( ( P1&0xf0) | Ln

) ;

EN = 1;

}

}

在设计程序时，仅在换行时关闭显示屏，避免它产生余辉，其余时间都点亮。在该程序中，Bv为数据线在垂直方向使用595 的组数;Lw为LED 显示屏水平方向像素点数;Ln为当前LED 显示屏显示数据行号。 当显示数据时，采用存储器和LED 显示屏的数据输出模式，单片机先向串行存储器输出“读数据”命令字“0x0B”，然后输出24 位地址和虚拟字节，再使单片机数据口输出高电平，就可以根据LED 显示屏的长度输出SCK 脉冲。送完一行数据后，禁止SPI 接口，RCK 锁存信号有效，切换至下一行，按重复步骤继续输出显示数据。

5 测试

经过测试后，显示屏显示正常，没有抖动情况，使用逻辑分析仪测试了其刷新率，如图5(b) 所示，信号A 的电平宽度表示显示1 行所需要的时间，其宽度为1. 036 16 ms，显示1 帧的时间为16 ×1. 036 16 ms≈16 ms，所以LED 显示屏的刷新率为1 /16 ms = 62. 5 Hz. 而当LED 显示屏的刷新率大于50 次/s 时，就可以满足设计要求，故本设计能够满足正常显示要求。通过测试SCK 信号，如图5(a)所示，可以看出SCK 信号每8 个脉冲1 组，每组之间的时间间隔仅为570 ns，该时间主要消耗在判断SPI 数据传输完成标志和循环控制上。

图5 LED 屏信号测试

6 结论

本文提出了基于多端口串行Flash 存储器的LED 显示控制系统，利用单片机的SPI 接口产生可控时钟，将多端口串行Flash 存储器中的显示数据以“DMA”方式直接输出至超长条形LED 显示屏。

其制造成本低廉，根据本文程序及逻辑分析仪得到的时序图可知，该方法可以控制4 096 × 64 点阵单色LED 显示屏，在超长显示屏市场上有很好的应用前景。