彩色點(diǎn)陣LED屏幕控制器的設(shè)計(jì)概要

1、彩色點(diǎn)陣LED屏幕控制器的設(shè)計(jì)摘要：設(shè)計(jì)了一種彩色點(diǎn)陣LED大屏幕的控制器，該控制器采用單片機(jī)讀取存儲(chǔ)在SD上的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)文件，按幀串行地輸出到LED控制芯片并刷新LED屏幕顯示。該控制器能夠存儲(chǔ)并動(dòng)態(tài)顯示靈活多 樣的文字或者動(dòng)畫，具有性價(jià)比高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：點(diǎn)陣LED屏幕；控制器；ATmega644 0引言隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，商品的廣告以多種多樣的方式呈現(xiàn)在消費(fèi)者面前。其中，戶外的點(diǎn)陣LED式廣告牌越來越受到商家的歡迎，其樣式多種多樣，可任意顯示各種文字和圖形，并具有咼亮度、防水、節(jié) 能、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，用途越來越廣泛1-3。 點(diǎn)陣LED屏幕控制器負(fù)責(zé)對(duì)LED 顯示內(nèi)容進(jìn)行控制和實(shí)時(shí)更新

2、，是 LED屏幕工作的必需部分。LED控制器的工作 原理、顯示內(nèi)容存儲(chǔ)或獲取方式、刷新速度等因素都關(guān)系到LED廣告牌的顯示效果和工作的便利性4-5?？紤]到目前點(diǎn)陣LED屏幕控制器市場存在較多問題，本 文基于單片機(jī)、彩色點(diǎn)陣LED驅(qū)動(dòng)控制芯片和SD卡，設(shè)計(jì)了一種彩色點(diǎn)陣LED 屏幕控制器。設(shè)計(jì)的彩色點(diǎn)陣LED屏幕控制器能夠選擇并循環(huán)顯示存儲(chǔ)在 SD卡 上的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)文件，能調(diào)節(jié)顯示速度，并能夠根據(jù)需求并聯(lián)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)更大規(guī)模 的點(diǎn)陣LED的控制，具有調(diào)節(jié)和更換顯示內(nèi)容方便、結(jié)構(gòu)簡單、可擴(kuò)展、可靠性 高等優(yōu)點(diǎn)。1系統(tǒng)概述彩色點(diǎn)陣LED屏幕控制器主要由單片機(jī)、SD卡、電源及相應(yīng)的輸出電路組成。另外在點(diǎn)

3、陣 LED驅(qū)動(dòng)部分，采用與LED集成在一起的 控制芯片進(jìn)行控制，專用的橫流電源為其供電。其結(jié)構(gòu)框圖。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)讀取SD卡內(nèi)存儲(chǔ)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，讀取完一幀數(shù)據(jù)后，通過驅(qū)動(dòng)電路串行地發(fā)送給 LED控制芯片。此LED控制芯片能夠接收并存儲(chǔ)9 B的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)相鄰 3個(gè)像素點(diǎn)的RGB亮度數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)超過 9 B時(shí)，LED控制芯 片會(huì)把數(shù)據(jù)串行地發(fā)送給相鄰的下一級(jí)控制芯片，直至所有的控制芯片都接收到點(diǎn) 陣數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行一次顯示。2硬件設(shè)計(jì)在彩色點(diǎn)陣LED控制器的硬件上，主要設(shè)計(jì)了基于ATmega644單片機(jī)、SD卡最小系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)電路等。而在 LED控制芯片上則選用 Titan

4、Micro公司生產(chǎn)的TM1809的具有9通道LED驅(qū)動(dòng)控 制專用芯片。以下將分別介紹ATmega644單片機(jī)及SD卡最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路和LED控制電路。2.1 ATmega644最小系統(tǒng)ATmega644單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有64 KB的閃存、4 KB的內(nèi)存,最高運(yùn)行頻率為20 MHz。該單片機(jī)的指令為單周期指令，執(zhí)行效率很高，支持在 線下載。ATmega644單片機(jī)及SD卡最小系統(tǒng)的原理圖。ATMega644單片機(jī)最小系統(tǒng)由5V供電電源、晶振、復(fù)位電路和程序在線下載電路組成。ATMega644的復(fù)位電路由電阻、電容、二極管和一個(gè)微動(dòng)開關(guān)組成，能起到延時(shí)

5、啟動(dòng)，按下開關(guān)瞬時(shí) 重啟的作用。單片機(jī)系統(tǒng)的晶振采用的是 11.059 2 MHz的晶振，也可根據(jù)需要更 換為20 MHz的晶振以提高運(yùn)行速度。與ISP在線下載電路相連的是單片機(jī)的 SPI 接口和復(fù)位接口。單片機(jī)的供電電源為 5 V，還需要額外的電源芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V 電源供給SD使用。SD與單片機(jī)相連接的電路也是 SPI接口，可以用單片機(jī)的SPI接口方便地與SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。單片機(jī)的在線編程接口和SD卡與單片機(jī)通信用到的都是SPI接口，但是由于在線編程是 SPI接口與復(fù)位接口配合 使用的，因此并不會(huì)產(chǎn)生沖突。另外，由于單片機(jī)接口與SD卡接口的電源電壓分別為5 V和3.3 V，并不兼

6、容，因此在線路上串接有 100 Q的電阻，以達(dá)到可靠通 信的目的。另外在靠近SD卡端的所有數(shù)據(jù)線上都加上了上拉電阻，以提高通信的 可靠性。2.2驅(qū)動(dòng)電路由于單片機(jī)接口的負(fù)載能力有限，很難驅(qū)動(dòng)距離較遠(yuǎn)的芯片，因而需要提高其驅(qū)動(dòng)能力后再連接后續(xù)電路，以便達(dá)到信號(hào)可靠傳輸?shù)?目的。本文采用的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。該驅(qū)動(dòng)電路采用的芯片為74HC245,是一種三態(tài)輸出、八路信號(hào)收發(fā)器，其接口的輸入、輸出電流能夠達(dá)到35 mA，在設(shè)計(jì)中，采取兩路收發(fā)器共同發(fā)送同一個(gè)信號(hào)，其最大能夠輸出或輸入70 mA的電流，保證了信號(hào)的可靠傳輸。由于該電路的信號(hào)傳輸是單向的，由單片機(jī)到LED控制電路，因此74HC245方向控制

7、端接高電平，數(shù)據(jù)傳輸方向由端口 A到B。2.3 LED控制電路LED控制芯片上則選用的是 Titan Micro公司生產(chǎn)的TM1809，該芯片內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動(dòng)等電 路，通過外圍MCU控制實(shí)現(xiàn)該芯片的每路單獨(dú)輝度、級(jí)聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)戶外大屏的彩 色點(diǎn)陣發(fā)光控制。該芯片共有9個(gè)輸出端口，能夠連接9個(gè)LED，實(shí)現(xiàn)控制3個(gè) RGB像素的24位色彩控制。通過多級(jí)串聯(lián)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彩色點(diǎn)陣LED顯示屏的控制。LED控制電路原理圖。在圖4中，TM1809的14腳為串行數(shù)據(jù)輸入腳，連接單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上的 DAT1腳；其第3腳為串行數(shù)據(jù)輸出腳，連接下一級(jí)TM1809的14腳，按照

8、這種連接方式實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)控制。在接收點(diǎn)陣數(shù)據(jù)時(shí)，每一 級(jí)芯片接收完9 B的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)串行地發(fā)送給下一級(jí)控制芯片。3軟件設(shè)計(jì) LED控制器的正常運(yùn)行需要編寫相應(yīng)的單片機(jī)軟件。本文設(shè)計(jì)的LED控制器中，單片機(jī)的主要功能是通過 SPI接口初始化和讀取SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，并通 過單片機(jī)端口串行地把數(shù)據(jù)發(fā)送給 TM1809，直到發(fā)送完整幀的數(shù)據(jù)，然后控制TM1809輸出當(dāng)前幀數(shù)據(jù)給LED顯示，接下來再處理下一幀數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件的難點(diǎn)在于SD卡數(shù)據(jù)的讀取和驅(qū)動(dòng)TM1809。其中，SD卡中存儲(chǔ)數(shù) 據(jù)文件用到的是FAT32文件系統(tǒng)，需要單片機(jī)軟件根據(jù) FAT表的信息判斷文件存 儲(chǔ)的位置、幀大小、每扇區(qū)

9、幀數(shù)等信息，以便完整地讀取所需要的文件內(nèi)容。 由于單片機(jī)向TM1809發(fā)送數(shù)據(jù)采用的是單線串行發(fā)送，因此需要準(zhǔn)確地控制數(shù)據(jù) 時(shí)序。TM1809對(duì)數(shù)字“0的規(guī)定為600 ns的高電平，緊接著1 200 ns的低電平； 對(duì)數(shù)字“ 1的規(guī)定為1 200 ns的高電平，緊接著600 ns的低電平；10卩以上的持續(xù) 低電平為復(fù)位信號(hào)。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，緊接著發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)，TM1809會(huì)將當(dāng)前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送到LED顯示。單片機(jī)程序的流程圖。單片機(jī)上電后首先進(jìn)行端口、SPI接口和SD卡的初始化工作，這些工作完成后將讀取 SD卡起始 幀的數(shù)據(jù)，并以此判斷分區(qū)格式、分區(qū)表的位置等信息。讀取分區(qū)表內(nèi)容，根據(jù)

10、撥 碼開關(guān)決定所需讀取數(shù)據(jù)的文件名，并由分區(qū)表判斷此文件起始幀的位置。接下來 就可以讀取數(shù)據(jù)文件的第一幀，其第一幀并不是點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，而是點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的行數(shù)、 列數(shù)、幀數(shù)等信息，第二幀才是點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，讀取后發(fā)送給TM1809顯示。在接續(xù)讀取和發(fā)送點(diǎn)陣數(shù)據(jù)之前要判斷撥碼開關(guān)是否變化，變化意味著要切換顯示文件；還 要判斷是否是最后一幀數(shù)據(jù)，如果都不是，則接續(xù)讀取下一幀數(shù)據(jù)。除此之外，本文還設(shè)計(jì)了點(diǎn)陣數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)格式。點(diǎn)陣數(shù)據(jù)文件在SD卡中以512 B為單位進(jìn)行存儲(chǔ)。其第一個(gè)512 B存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)、幀數(shù)等數(shù) 據(jù)，不足512 B的空間將以0xFF補(bǔ)滿。從第二個(gè)512 B開始將是點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，若一 幀點(diǎn)陣數(shù)據(jù)不足512 B,同樣以0xFF補(bǔ)滿，超出512 B將占用第二個(gè)直至更多個(gè) 512 B,不足512