基于AVR单片机的LED显示屏的灰度设计与实现

基于AVR单片机的LED显示屏的灰度设计与实现LED点阵块具有亮度高、发光均匀、可靠性好、拼装方便等优点，能构成各种尺寸的显示屏。目前，LED显示屏已被广泛应用于文字显示并取得了很好的效果，但是大部分仅能显示滚动的文字信息而不能显示图像，并且还存在系统复杂等缺点。本文提出了一种主从式单片机的LED显示屏解决方案，该设计方案利用AVR单片机自身的FLASHROM和RAM，外部无需任何存储电路，电路结构简单。该系统实现了图像的16阶灰度显示，可广泛用于商场、车站等公共场合。1AVR单片机简介AVR单片机是增强型内置FLASH的RISC(ReducedInstructionSetCPU)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1000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32kB片内FLASHROM和2kB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64kB片内FLASHROM的AT-mega64或者具有128kB片内FLASHROM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625kb／s，字节传输速率为56.8kB／s。每个子模块由256个LED构成，实现16阶灰度每个LED需要4b空间，因此每个显示子模块全屏数据量为128B，外加1B的寻址字节共129B。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56800／(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RS232，RS485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RS485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5V电压下，最高传输速度可达到2.5Mb／s，传输距离可达l200m。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FLASHROM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RS485转换电路、子模块地址标识电路和点阵驱动电路组成。RS485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BootLoader区的程序进行FLASHROM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(52μs×15=780μs)，16个单行扫描时间片又构成一次全屏的扫描(780μs×16=12.48ms)，则刷新频率约为80Hz，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。