基于多端口串行Flash的條形LED顯示屏控制

　　摘要： 為了不增加硬件成本而提高顯示數據的輸出速度，在分析現有條形LED 顯示屏單元板電路的基礎上，提出了一種基于多端口串行Flash 存儲器的LED 顯示控制系統，該系統由STC12C5616 高速1T 單片機和帶SPI接口的SST26VF016B 串行多端口Flash 存儲器組成。 顯示數據輸出時，利用單片機的高速同步串行口（ SPI） 高速時鐘，將多端口串行Flash 存儲器中的顯示數據以"存儲器直接存取（ DMA） "的方式直接輸出至超長條形LED顯示屏。 最后，以4 096 × 64 點陣單色LED 顯示屏為例進行了測試。 結果表明，顯示屏刷新率達到62. 5 Hz,驗證了該系統在實際應用中的有效性和可行性。

　　在LED 顯示屏應用中，超長條形LED 屏是非常廣泛的一種形式，其特點是長度"特別長"而寬度窄。 超長LED 顯示屏目前沒有明確的定義，可以將其水平方向的點數定義為≥2 048 比較合適。

　　以由1 /4 掃描P10 單元板（ 點間距10 mm） 組成的超長條形LED 顯示屏為例，當水平方向的點數為2 048 時，其水平方向物理尺寸為20. 48 m. LED 屏的寬度（ 垂直方向） 點數一般為16、24 和32 點，最多不超過64 點，應用中以能夠顯示一行各類字體的漢字為主。 為保證刷新率，在對超長LED 顯示屏的控制上，要求在規定時間內送出更多數據，普通的LED 顯示屏控制卡很難實現控制要求。

　　本文在分析現有各種條形LED 顯示屏單元板電路的基礎上，提出了一種基于多端口串行Flash存儲器的LED 顯示控制系統。 利用單片機的SPI接口產生可控時鐘，將多端口串行Flash 存儲器中的顯示數據以"DMA"方式直接輸出至超長條形LED 顯示屏。

　　1 常用單元板內部串行移位寄存器連接方式

　　圖1 為3 種常用單元板內部串行移位寄存器連接方式。 其中圖1（ a） 為單元板74HC595 與LED發光管點陣連接關系及簡化表示電路。 LED 顯示屏單元板內部使用的串行移位寄存器一般為74HC595、MBI5026 或MBI5026 兼容芯片，而MBI5026 可以看成是由兩片74HC595 級聯構成，為恒流源驅動模式，更適合LED 的驅動。

　　圖1（ b） 、（ c） 、（ d） 分別為P10、P16、F3. 75 或F5. 0單元板的連接方式。

圖1 3 種常用單元板內部串行移位寄存器連接方式

　　2 超長LED 顯示屏面臨的問題及解決方案

　　目前，市場上大量的門頭屏（ 條形LED 顯示屏） 是LED 顯示屏應用最廣的一種形式。 從技術上來說，門頭屏的水平方向點數從256 點至數千點，而高度一般不超過64 點。 隨著市場需求和顯示精度的提高，數千點長度的超長LED 顯示屏需求量在不斷加大。 普通的LED 顯示屏控制卡難于滿足刷新率的要求，以在長度上像素點是4 096 的F3. 75 LED 顯示屏為例，設刷新率為60 Hz,其SCK時鐘周期至少為10⁶ /60 /16 /4 096 = 0. 254 μs = 254 ns.

　　解決超長LED 顯示屏數據輸出的方法有兩種： 一是選擇高性能嵌入式處理器和FPGA 芯片，該方法控制卡成本較高； 二是巧妙應用單片機上的特殊功能部件并優化組織數據算法，這種方法成本很低。 本文采用的就是第2 種方法，通過優化算法將數據預先寫入多端口串行Flash 存儲器SST26VF016B 中，利用STC12C5616 單片機的SPI部件產生高速可控SCK 時鐘，將多端口串行Flash存儲器中的顯示數據以"DMA"方式直接輸出至超長條形LED 顯示屏中，滿足超長LED 顯示屏的顯示要求。

　　超長LED 顯示屏高度一般不超過64 點，若控制1 /16 掃描單色LED 顯示屏，SST26VF016B 存儲器的4 位數據端口正好滿足LED 顯示屏數據口寬度的需要。 圖2 為SST26VF016B 存儲器的控制時序，CS 為SST26VF016B 存儲器的片選端，所有對存儲器的操作都要在CS 為低電平期間進行；SCK 為時鐘線，當空閑模式時，SCK 信號可以處于低電平狀態（ MODE 0） ,也可以處在高電平狀態（ MODE 3） ; SIO（ 3∶ 0） 為4 位數據端口，在數據傳輸時，先傳字節的高4 位，再傳字節的低4 位。 從存儲器的控制時序可以看出，對存儲器的控制按照命令字、24 位存儲地址、虛擬字節、數據字節0 到數據字節N 的順序發送。 存儲器的命令字可以實現對存儲器進行片擦除、扇區擦除、單字節讀寫、連續字節讀寫等功能，完全能夠滿足超長LED 顯示屏對存儲器的容量和控制方式的要求。

圖2 SST26VF016B 存儲器的控制時序。

　　STC12C5616 是STC 公司推出的高速1T 單片機，時鐘頻率可達30 MHz 以上，其內部集成一個高速串行通信接口部件（ 即SPI 接口）。 當STC12C5616 的SPI 部件采用主模式工作時，其SPI時鐘輸出頻率（ fclk） 可以達到晶振頻率（ fosc） 的1 /4 倍，并且可以靈活配置它的時鐘相位和時鐘極性，既滿足對SST26VF016B存儲器控制的要求，又滿足超長LED 顯示屏對時鐘的要求。

　　3 超長LED 顯示屏控制卡電路設計

　　利用串行Flash 存儲器SST26VF016B 的多位數據口存儲器和STC12C5616 單片機的SPI 部件能產生高速SCK 時鐘的特點，將顯示數據從串行Flash存儲器旁路輸出至LED 顯示屏，電路如圖3 所示。

圖3 超長LED 顯示屏控制卡電路圖。

　　當顯示屏的動態刷新速率達到50 次/s 時，在1 /16 掃描的LED 顯示屏上，一行顯示時間要小于1 /50 /16 s,即1. 25 ms. 在控制卡設計上，當fosc =22 MHz時，串行Flash 時鐘頻率fclk = 1 /4 fosc =5. 5 MHz,故4 096 個CLK 時鐘所需時間為4 096 × 1 /（ 5. 5 × 106 ） s = 0. 744 ms,加上采用SQI協議發送存儲器指令和地址的時間后也小于1. 25 ms,故在圖3 中，單片機STC12C5616 的外部時鐘選擇22 MHz 時鐘，就可以保證在SQI 協議方式下實現4 096 超長顯示屏的顯示。

　　單片機STC12C5616 的外部時鐘選擇22. 118 4 MHz,便于串行口波特率的精確控制； 引腳P3. 0和P3. 1為UART 接口，通過通信接口芯片MAX232 芯片實現控制卡和PC 機之間的通信連接； 引腳P2. 0 ~ P2. 3為4 位數據線，該數據線一方面連接存儲器SST26VF016B 的4 位數據口，另一方面通過74HC245 驅動后連接到LED 單元板輸出接口的數據線上。 在控制卡上設計有2 個單色LED單元板輸出接口，接口J1 使用數據線D0和D1,接口J2 使用數據線D2和D3; 引腳P1. 7為SPI 時鐘輸出，SPI 時鐘輸出線同時連接到串行Flash 存儲器SST26VF016B 和LED 單元板的時鐘輸入； 引腳P1. 4為串行Flash 存儲器SST26VF016B 的片選信號； 引腳P3. 5為LED 單元板的數據鎖存信號； 引腳P3. 7為LED 單元板的使能信號輸出； 引腳P1. 0 ~P1. 3為LED 單元板的行選擇信號輸出； J1 和J2 連接頭用來連接顯示屏在高度方向上的LED 單元板，以符合門頭屏64 點高度要求。

　　該電路的設計可以靈活地在單片機、串行存儲器和LED 單元板相互之間實現3 種不同的數據訪問模式，分別是：

　　（1） 單片機和存儲器之間的正常訪問。

　　由圖3 可以看出，單片機STC12C5616 和串行Flash 存儲器SST26VF016B 之間的連接是參照數據手冊進行連接的，可以實現正常的數據存取，同時該數據也會進入LED 單元板上的移位寄存器緩沖區，但只要LED 單元板上的數據鎖存RCK 沒有得到有效信號，進入LED 單元板的數據是不顯示出來的無效數據。

　　（2） 單片機和LED 單元板之間數據通信。

　　將單片機引腳P1. 4置高電平，即將串行Flash存儲器的使能端無效，這時存儲器的數據端口呈高阻狀態，單片機和LED 單元板之間數據通信就不會受到存儲器數據口的影響，可以將單片機的數據正常輸出到LED 單元板上。

　　（3） 存儲器和LED 顯示屏之間的數據傳輸。