基于STM32LED書寫點陣屏設計與實現

摘要： 本文介紹了一種利用ARM 系列主流32 位微處理器STM32 作為控制核心的LED 書寫點陣屏設計。系統包括主控模塊、光筆模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、電源模塊和32 × 32LED 點陣屏等。系統通過鍵盤進行功能切換，用光電三極管作為光筆的感應器件，從而實現LED 點陣屏點亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對象拖移、亮度自動調節、超時休眠等功能。

近年來，隨著信息產業的高速發展，點陣LED 顯示屏已廣泛應用于金融行業、郵電行業、體育館、廣告業等各種廣告發布和信息顯示系統，成為信息傳送的重要手段。本文介紹的LED 書寫點陣屏，不但可以像普通顯示屏一樣作為信息輸出設備，而且可以通過光筆直接在LED 顯示屏上進行信息輸入，普通的顯示屏也具有手寫的功能了。

1 硬件系統設計

本系統總體框圖如圖1 所示，由鍵盤與顯示模塊、光筆模塊、LED 點陣屏模塊、STM32 控制模塊、電源模塊五部分組成。

圖1 總體方案方框圖

1. 1 核心控制模塊

本系統以STM32F103VCT6 為控制核心。

STM32 是32 位微處理器，具有低功耗，中斷延遲小，高性能等特點。STM32 處理器采用了指令預測和流水線技術，它的取指、譯碼和執行是同時進行的，分支預測給流水線提供連續的指令流，流水線可以不斷地執行有效指令，因此STM32 的速度比8051 快得多; STM32 處理器內部集成鎖相環可實現最大72MHZ 的工作頻率，為實現高速的系統響應( 高速的掃描) 提供了基礎; 其內置的兩個看門狗定時器( 獨立看門狗和窗口看門狗) 使系統更加穩定[1].STM32F103VCT6 有1 個12 位的us 級的A /D 轉換器，9 個定時器，2 個I2C 接口，5個UART 接口，3 個SPI 接口，為以后的擴展提供了條件。

1. 2 光筆電路設計

人眼能分辨刷屏次數為24 次，根據經驗本系統點陣屏的刷屏速度采用每秒70 次的經驗刷屏次數，即70Hz,故要求光筆的反應速度大于70Hz.掃描方式是每一時刻只有一個點點亮，并且這個亮點朝一個方向移動，這時主控掃描的速度是1M.使用的點陣屏為32 ×32.當每秒刷屏次數超過24 次時才看不出點陣屏閃爍，在本系統中每秒刷屏68 次，所以光電器件所要達到的頻率最小為68Hz,光電三極管( 3DU33) 靈敏度高，響應時間短，光敏三極管輸出的脈沖經過74HC14 整形輸出。光筆電路圖如圖2 所示：

圖2 光筆原理示意圖

1. 3 LED 點陣屏模塊

32 × 32 LED 點陣屏電路原理框圖如圖3 所示。

STM32 主控器I /0 口作為點陣屏模塊的輸入控制信號，其中OE 為使能端，CLK 為時鐘線，LT 為鎖存信號，DA 為數據線，A、B、C、D 為行選通地址線[2].電路中74HC245 起總線緩沖作用，2 片74HC138 構成4 - 16 譯碼器，實現16 路的行選通，選通信號經由4953MOS 管激勵為行驅動，行驅動為H1 ~ H16,每一行驅動負責32 × 32 點陣兩行的選通( 如H1 控制第1 行和第17 行，H2 控制第2 行和第18 行) .串行數據由74HC245 緩沖后，送入級聯的74HC595 串并轉換和驅動，電路中共設計有8 片74HC595,其中4 片用于第1 行~ 第16 行的列數據轉換，另外4 片用于第17 行~ 第32 行的列數據轉換。

圖3 LED 點陣屏電路原理框圖

2 軟件系統設計

STM32 系列微控制器采用C 語言進行程序設計，開發調試環境為Keil MDK.主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

當系統上電后，LCD 與LED 點陣屏分別顯示各自的開機界面。與此同時，STM32 對鍵盤進行掃描。

任何狀態，按下背光鍵就可打開或關閉液晶的背光燈，此功能使得該點陣屏在夜間也可以隨意使用，白天可以將背光手動關閉，減小功耗，節約能源。

當設定鍵按下后，進入功能選擇顯示界面。

此時按上下鍵可進行功能選擇。依次進入點亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對象拖移、設定休眠時間、調節亮度等功能。指示圖標在哪種功能前閃動，代表該功能被選中，點陣屏即可在系統控制下執行相應功能。在任何一種功能下，按下確定鍵即可顯示光筆位置的坐標。此功能在各項功能下均可跟隨光筆坐標，以便快速確定光筆所在位置。

在連寫多字功能中，每寫好一個字后，按下自定義的1鍵將寫好的字存儲至相應的數據緩沖區，四個字寫完后，用光筆靠近點陣屏給STM32 一個信號即可將已存儲的四個字逐個輪流顯出。為方便書寫，加快書寫速度，字體存儲后，當光筆靠近點陣屏時，給予自動清屏。在對象拖移功能中，先圈定對象，用光筆在對象上選定坐標參考點進行拖動，判斷光筆當前坐標與參考點坐標的關系，對圈定對象對應的RAM 區數據進行相應的操作[4],之后更新參考點坐標值，重復上述指令，直至對象拖移結束。

在調節亮度功能下，點陣屏可根據環境自動改變亮度。操作人員也可根據需要手動調節，并保持該亮度[4].

3 測試方案與測量結果

3. 1 測量設備

主要的測量設備有直流穩壓源YB1730、數字式萬用表( FLUKE 15B) 、萬用表SJ47100MHz 和雙通道示波器( TeKtronix TDS2012B) .測量單位是秒表，精度0. 01s.

3. 2 實際測量結果

3. 2. 1 點亮、擦除。

點亮模式如表1 所示。

表1 點亮模式