引言

　　本文設計的是一種內容更新便捷、可擴展、低價格的點陣 LED文字顯示屏。

　　降低成本的途徑是：1、用幾乎人人都有的手機的藍牙數據傳輸功能進行LED顯示內容的更新，免去專業上位機軟件和控制卡的成本，操作也更簡單；2、單次顯示內容在5至30個漢字或英文字母，因為顯示內容較少，就可實現擴展電路的簡單化。

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　　1 系統設計方案

　　1.1 系統組成

　　系統由帶藍牙功能的智能手機和LED顯示屏組成。其中，LED顯示屏由單片機、LED點陣模塊、字庫芯片、藍牙接收模塊、5V開關電源和3.3V穩壓電路組成，如圖1所示。系統工作過程是： 用戶通過智能手機的記事本編輯“數據”，并經無線藍牙發送到顯示屏上的藍牙接收模塊。主控單片機讀取藍牙接收模塊接收的“數據”并進行處理。“數據”由“控制命令”和“顯示內容”構成，兩部分數據用自定義特征符分隔開。“控制命令”用于對顯示屏的亮度、顯示內容移動速度和移動方向進行設置； 而單片機根據收到的“顯示內容”的字符代碼在字庫芯片中找到相應的32字節顯示代碼送點陣屏顯示。

　　圖1 系統組成
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　　1.2 LED 點陣屏工作原理

　　LED 點陣顯示屏可按顯示需要由若干塊每塊LED 單元板拼接而成。通用LED單元板由2位16×16點陣LED構成，尺寸為160*320mm。

　　單元板的工作原理如下：

　　每板有16 行32列，數據的顯示采用傳統的行列式掃描方式。通常為了減小閃爍，提高掃描速度，采用1/4 掃描，即把16行分為4個4行，每次同時選通4個4行中的同序對應行，這樣掃描4次即可完成16行的掃描顯示。其中列控制由74HC595承擔，每塊單元板上有16片，每片分別控制4行8列的點陣小單元。行控制是由1片譯碼器74LS138承擔，每次使單元板的4個4行的同序對應行選通。為了保證正常的電流驅動（ 亮度），74LS138 的輸出經AMP4593 驅動放大。每塊單元板有4 片，每片分別驅動4 行。16 片74HC595 接成級聯方式，由于每4 行32 列需4 片74HC595， 16 行32 列就是16 片。設第一個4 行的4片74HC595 序號為1、2、3、4，第二個4 行的4 片74HC595 序號為5、6、7、8，依次類推。每一片的數據輸出端接到下一片的輸入端，數據從第1 片的輸入端串行輸入，在移位脈沖的作用下一位一位依序移入，經過8×16 個脈沖，最先移入的數據位移到了第16 片的最低位（也是該片的輸出端），所有數據都移入后，就可顯示一板完整的內容，按此規律即可進行顯示的軟件設計。如果顯示的字數多，拼接的 LED 單元板就多，顯示一屏完整內容所需的移位脈沖就多。這種顯示方式要求主控單片機有較高的指令執行速度，否則就會有閃爍感。點陣單元板原理圖如圖2所示。

　　圖2 點陣單元板原理圖

　　2 系統主要模塊的選擇和電路設計

　　2.1 主控芯片

　　2.1.1 芯片選擇

　　為了滿足LED 顯示屏的顯示及多板的擴展，要求系統主控單片機有較快的運行速度； 較大的存儲空間用于存儲顯示數據，因此選用美國silicon公司的C8051F410。該芯片是一款高性能產品，FTQP-32 封裝（9mm* 9mm） 大大減小了體積； 由于采用了精簡指令結構，使得每個機器周期僅需一個時鐘周期，運算速度快大大加快，如果使用片內24. 5MHz 的內部時鐘，其運行速度大約是普通8051 單片機工作在12MHz 時鐘時的24 倍； 芯片內部資源豐富，自帶看門狗，通過JTAG 接口連接調試器，可方便硬件在線調試； 芯片內含UART、SPI、I2C等通信接口，方便與外圍芯片連接； 4個定時器/計數器使編程更方便； 自帶的16K/32KFLASH，可存儲大約1K個漢字。

　　2.1.2 最小系統電路設計

　　系統對單片機時鐘的精度和溫度穩定度都沒有特別要求，可以直接使用C8051F410單片機內部自帶的時鐘振蕩器，而無需外接振蕩器。使用時要注意的是，是芯片工作電源是從Vregin引腳引入（+ 3. 3V） ，VDD是內部基準電壓輸出引腳，VIO 是I /O口作為數字引腳時的電源輸入引腳。電路設計時必需在緊靠這3 個引腳的位置布上濾波和退耦電容（4. 7μ 和104p） .P1. 0~ P1. 3 是顯示屏的控制線CLK、SCLK、R 和OE; P1. 7、P0. 0 ~ P0. 2是字庫芯片控制線，采用SPI 接口； P2. 0和P2. 1是顯示屏的行掃控制線A 和B; P0. 4和P0. 5是串口通信線，與藍牙模塊連接。這12根引腳都需配置為數字引腳。最小系統電路如圖3所示。

　　圖3 C8051F410 單片機最小系統
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　　2.2 藍牙模塊

　　2.2.1 模塊選擇

　　選用藍牙模塊的要求是： 價格便宜、體積小，使用方便。符合條件的藍牙模塊產品很多。設計選用的是南京國春電氣生產的GC-02 藍牙模塊，這是款高質量的CLASS2藍牙模塊。此藍牙模塊內部帶有對象交換協議（OPP）文件接收功能，只要上電后，就可被手機藍牙識別，并可成功配對建立連接，接收手機藍牙傳輸的文件。

　　GC-02 藍牙模塊共有29個引腳，可通過SPI 接口或UART接口與單片機通信。本系統單片機選擇UART方式與GC-02進行通信。藍牙模塊處于待機模式時，已配對過的手機向藍牙模塊發送文件，未配對的手機需先進行配對，輸入正確的PIN 碼（即配對密碼）即可配對。此藍牙模塊的出場廠PIN 碼是“1234”，其PIN 碼可通過向藍牙模塊發送指令進行修改。

　　2.2.2 電路設計

　　單片機通過引腳P0.4和P0. 5與藍牙模塊GC-2的串口（12 腳和13腳）進行通信，藍牙模塊的其他功能未用。單片機與藍牙模塊的連接如圖4所示。

　　圖4 單片機與藍牙模塊的連接圖。

　　2.3 字庫芯片

　　2.3.1 芯片選擇

　　由于使用中顯示的內容需要經常更換，采用文字“取模”獲得顯示數據的方法顯然行不通，在顯示電路中存儲字庫或采用字庫芯片是個可行的辦法。設計采用字庫芯片，選擇GT21L16S2W 標準漢字字庫芯片。

　　GT21L16S2W 是一款內含11×12點陣和15×16點陣的漢字庫芯片，支持GB2312國標簡體漢字（含有國家信標委合法授權） 、ASCII 字符及GB2312與Unicode編碼互轉表。排列格式為橫置橫排。根據字符點陣在芯片中的地址，就可從該地址連續讀出字符點陣信息。

　　以15X16點陣漢字為例，漢字信息需要32個字節（BYTE0-BYTE31） 來表示，點陣的數據是橫置橫排的，其具體排列結構如圖5。每個漢字在芯片中是以漢字點陣字模的形式存儲的，每個點用一個二進制位表示，存1 的點，當顯示時可以在屏幕上顯示亮點，存0 的點，則在屏幕上不顯示。點陣排列格式為橫置橫排： 即一個字節的高位表示左面的點，低位表示右面的點，排滿一行的點后再排下一行。這樣把點陣信息用來直接在顯示器上按上述規則顯示，則將出現對應的漢字。15X16 點陣漢字存儲在00000H~3B7BFH 的芯片地址范圍中，只要知道漢字的內碼，就可計算出漢字顯示數據的首地址。

　　圖5 漢字點陣排列格式

　　2.3.2 接口電路

　　字庫芯片GT21L16S2W的各引腳功能如下： 1、2、5、6腳是SPI接口，其中：1（CS#） 為片選輸入，2（SO） 為串行數據輸出，5（SI） 為串行數據輸入，6（SCLK） 為串行時鐘。

　　7腳（HOLD #） 為總線掛起，該信號可用于在片選信號有效期間暫停數據傳輸。單片機通過引腳P0.0~P0.2 以及P1.7 與字庫芯片進行通信，讀取顯示數據。HOLD#引腳懸空，Vcc 工作電源為3.3 V。單片機與字庫芯片的連接如圖6 所示。

　　圖6 單片機與字庫芯片的連接圖。

　　2.4 LED 點陣屏與單片機的連接

　　點陣屏選擇的是市場上應用最為廣泛的P10單紅戶外單元板。該模塊具有高穩定性，高亮度，顏色均勻等特點，進行的掃描方式是1 /4 掃，控制方法簡便，有利于優化軟件設計，采用點陣單元可以根據需要進行拼湊，靈活性強。LED點陣屏與單片機的連接如圖7 所示。其中，OE（P1. 3） 為使能信號，連接74HC138，用于亮度控制，也可用于顯示屏消隱。只要調整它的占空比就可以控制亮度的變化。ABCD 為行掃描信號，A 是最低位，如果ABCD信號全用上，控制掃描的最大范圍是16 行，1 /4 掃描中只要AB（P2. 0 和P2. 1） 信號就可以了。當行控制信號出現異常時，將會出現顯示錯位、高亮或圖像重疊等現象。

　　CLK（P1.0）為移位脈沖，每一個脈沖將數據移入或移出一位。當時鐘信號有異常時，會使整板顯示雜亂無章。STB（P1.1） 是鎖存信號，將移位寄存器內的數據鎖存并將其數據內容通過驅動電路點亮LED顯示出來。RI（P1.2） 是顯示數據的輸入端。

　　2.5 電源模塊

　　電源模塊由5V大功率電源和+3.3V小功率穩壓電路組成。前者是給LED屏提供電源，后者是把5V電壓穩壓成3.3V后提供給單片機、藍牙模塊和字庫模塊工作，這里選用ASM1117-3.3 芯片。市售通用的LED板輸入額定功率約為190W/ m2，每塊單元板面積是160*320 mm2 ，最大工作電流約為2 A（5V工作電壓時功耗是10W） ，可根據所要求的LED 顯示屏的面積選擇開關電源的功率。常用的開關電源，配合雙MOS管輸出以及加強型散熱器和濾波電容線圈，可保障純凈充足的電流輸出。

　　2.6 系統總體電路

　　本系統以單片機C8051F410作為MCU，外圍電路包括藍牙模塊、字庫芯片、LED點陣屏和電源模塊，系統電路原理如圖8所示。

　　圖8 系統原理圖。

　　3 系統軟件設計

　　單片機的初始化包括：1、時鐘初始化，選擇片內24.5MHz 內部時鐘。2、引腳配置： 配置P0.0~P0.2為SPI接口（3 線） ，與字庫芯片通信； 配置P0.4和P0.5為串口，與藍牙模塊實現通訊； 配置P1.0~P1. 3、P2.0 和P2.1為數字I /O，實現對顯示屏的控制。3、中斷、定時器/計數器和FLASH 相關寄存器初始化。系統軟件流程如圖9 所示。

　　圖9 系統軟件流程
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　　初始化后系統將主動讀取FLASH 指定地址范圍內的數據，并將數據（Unicode 字符集） 轉換得到與Unicode數據對應的GB2312字符集代碼在字庫芯片的地址碼，然后將該地址碼送給字庫芯片提取該地址所對應的GB2312字符集，再將GB2312字符集代碼通過字庫芯片轉化提取相對應的16*16點陣代碼，通過SPI口將代碼送給單片機，進而單片機將點陣代碼送給點陣屏并控制點陣屏將數據顯示出來。

　　正常工作狀態下，當手機藍牙與系統藍牙模塊發生配對時，手機只有輸入正確的PIN 碼后，才可成功配對，配對成功后，若手機采用記事本軟件通過藍牙發送數據，藍牙模塊將接收數據并通過串口發送出去，這時單片機接收數據，如果識別到有效數據的開始位為標志位“#”，那么系統將認為該命令是控制命令，即控制LED 顯示的亮度、速度、移動方向。控制命令的格式自主定義。例如“#35 左”，意思為：“#”為控制標志位，“3”控制亮度（控制范圍為0-9，數值越大亮度越高） ，“5”控制速度（控制范圍0-9，數字越大速度越慢） ，“左”為方向控制位（左為移動方向向左移，右代表向右移，上表示向上移，下為向下移） 。如果有效數據的開始位不為“#”，那么將默認此次數據為LED要顯示的新內容，系統將把數據按順序存入指定的FLASH 地址范圍內，待復位后新數據將顯示于屏幕上。特別要指出的是，為了保證顯示屏工作的可靠性，要在顯示循環程序中得合適位置設置好“喂狗”參數。

　　4 結束語

　　系統實現了通過手機更新顯示屏顯示內容的目的，方便又快捷。經過一些用戶的使用，其顯示性能和控制性能均較為穩定。但是，在實際使用過程中也遇到了尚未解決的問題，主要有兩大方面：一是有部分手機不支持Unicode字符集格式；二是本設計僅限于智能機通過記事本編輯顯示數據的傳送，而不同手機采用的記事本編輯軟件不盡兼容，本設計是基于Nokia手機軟件設計的。

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