基于EDA軟件Proteus的LED屏下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于EDA軟件Proteus的LED屏下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了開(kāi)發(fā)LED信息顯示屏系統(tǒng)，對(duì)LED單行顯示屏下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，利用EDA軟件PRO-TEUS建立了基于51單片機(jī)的硬件電路原理圖，同時(shí)在KEIL環(huán)境下編寫(xiě)了相應(yīng)的單片機(jī)通信和控制程序。經(jīng)PROTEUS與KEIL的聯(lián)合仿真和調(diào)試，證明了設(shè)計(jì)的可行性，開(kāi)發(fā)出了包含從上位機(jī)接收字符信息并儲(chǔ)存在下位機(jī)存儲(chǔ)器中的串口通信部分和從存儲(chǔ)器讀出字符信息并顯示的顯示控制部分的顯示屏下位機(jī)系統(tǒng)。0引言

隨著發(fā)光二極管(LED)技術(shù)的發(fā)展，亮度高、功耗小的LED不斷面世，技術(shù)上的可行和成本的降低使LED顯示屏有了應(yīng)用和發(fā)展的機(jī)會(huì)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)的發(fā)展，由于EDA技術(shù)具有可提高電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率和可靠性、降低設(shè)計(jì)者勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等眾多的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都會(huì)借助諸如PROTEUS,KEIL,MULTISIM,PROTEL,MATLAB等EDA工具。

本文從一個(gè)實(shí)際的LED顯示屏下位機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)出發(fā)重點(diǎn)論述了串口通信和顯示控制兩個(gè)部分，系統(tǒng)采用的EDA工具軟件主要是PROTEUS和KEIL

1EDA及主要工具軟件簡(jiǎn)介

EDA技術(shù)指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前絕大多數(shù)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都會(huì)采用EDA工具軟件來(lái)完成。根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的不同及設(shè)計(jì)需求的不同，所采用的EDA軟件也不同，目前常用的EDA工具軟件主要有:PROTEUS,KEIL,MULTISIM,PROTEL,MATLAB，MAXPLUS,QUARTUS等。PROTEUS和KEIL是在EDA環(huán)境下進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)開(kāi)發(fā)的完美組合。

1.1PROTEUS簡(jiǎn)介

Proteus軟件是英國(guó)LabcenterElectronic。公司研發(fā)的EDA工具軟件，它已具有近二十年的歷史，在電子行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，除了具有和其它EDA工具一樣的原理圖布圖、PCB布線及電路仿真的功能外，還具有革命性的功能:互動(dòng)的電路仿真、針對(duì)微處理器的應(yīng)用，并可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)試，有顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出效果，配合軟件提供的虛擬儀器(示波器、邏輯分析儀等)，可以方便地進(jìn)行電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

1.2KEILμvision2簡(jiǎn)介

KEIL協(xié)μvision2是美國(guó)KeilSoftware公司出品的15系列兼容單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是15系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，集編輯、編譯、仿真功能于一體，支持匯編、PLM和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用，并可和PROTEUS聯(lián)合調(diào)試。

2LED顯示屏下位機(jī)系統(tǒng)

對(duì)于一個(gè)LED顯示屏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)(一般由個(gè)人計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng))和下位機(jī)(一般由單片機(jī)、ARM或CPLD、FPGA等擔(dān)當(dāng))組成。而下位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分，下位機(jī)的性能在很大程度上決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)由于要顯示漢字字符信息，漢字編碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及控制顯示由上位機(jī)還是下位機(jī)來(lái)承擔(dān)要有明確的分工，解決方案有兩個(gè):一是將漢字庫(kù)顯示碼存儲(chǔ)在下位機(jī)中，上位機(jī)只傳送漢字編碼，由下位機(jī)通過(guò)編碼查找漢字顯示碼地址進(jìn)行漢字顯示;二是漢字編碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換由上位機(jī)軟件完成，串口通信傳送顯示碼，下位機(jī)只負(fù)責(zé)顯示碼的存儲(chǔ)和控制顯示。由于漢字庫(kù)對(duì)下位單片機(jī)來(lái)說(shuō)較大，存儲(chǔ)成本高且電路復(fù)雜、程序編寫(xiě)麻煩，而對(duì)上位機(jī)來(lái)說(shuō)，漢字庫(kù)存儲(chǔ)和漢字編碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換編程容易，綜合考慮上位機(jī)及下位機(jī)的特點(diǎn)，決定采用第二套方案。

2.1硬件結(jié)構(gòu)

從硬件上來(lái)講，下位機(jī)系統(tǒng)主要由處于核心地位的8051單片機(jī)及與上位PC機(jī)通信的RS232接RAM存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)控制陣列、LED顯示點(diǎn)陣等部分組成。本設(shè)計(jì)的下位機(jī)硬件系統(tǒng)框圖如圖1所

RS232接口負(fù)責(zé)接收上位機(jī)傳來(lái)的漢字顯示碼，并向8051單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào);單片機(jī)響應(yīng)中斷后將漢字顯示碼存儲(chǔ)于RAM中，RAM可根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇6264、62128或更大容量的存儲(chǔ)器;8051單片機(jī)在與上位機(jī)的通信結(jié)束且存儲(chǔ)完成后，將從RAM中取出顯示碼由驅(qū)動(dòng)及控制陣列控制LED點(diǎn)陣進(jìn)行字符顯示。在硬件系統(tǒng)中，除了以上這些功能性器件外，電源的選擇也比較重要，由于在實(shí)際應(yīng)用中LED顯示屏面積一般較大，功耗普遍都在30W以上，而系統(tǒng)的供電電壓為5V，供電電流將達(dá)6A，為保證系統(tǒng)正常工作，必須使用開(kāi)關(guān)電源。2.2下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件是運(yùn)行于8015單片機(jī)的16進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言，可以由匯編語(yǔ)言或C51編寫(xiě)，在KEIL開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯成8051單片機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言。下位機(jī)軟件的功能是配合硬件完成漢字顯示碼的接收、存儲(chǔ)及控制顯示，算法流程圖如圖2所示。

單片機(jī)初始化包含片內(nèi)RAM(包括計(jì)數(shù)寄存器等)初始化、RS232信設(shè)置初始化、中斷初始化等，對(duì)于傳輸是否完畢的判斷是將編碼在顯示碼流首字節(jié)內(nèi)的傳輸總字?jǐn)?shù)和單片機(jī)計(jì)數(shù)寄存器相比較，顯示之前的串口接收重置是為了下次串口通信的方便。在程序運(yùn)行的任意時(shí)刻，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送顯示碼會(huì)引起串口中斷，單片機(jī)會(huì)中斷當(dāng)前的工作并保存現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而接收顯示碼并存儲(chǔ)在片外RAM中，完成之后會(huì)返回中斷的斷點(diǎn)繼續(xù)前面的工作，由于中斷可能隨時(shí)發(fā)生，所以沒(méi)有在流程圖中畫(huà)出。

3串口通信

通信部分是連接上位PC機(jī)和下位單片機(jī)的信息通道，由于RS223申口通信被單片機(jī)和PC機(jī)廣泛支持，而且通信協(xié)議簡(jiǎn)單、便于電氣連接和編程控制，所以在本設(shè)計(jì)中采用RS232串口通信標(biāo)準(zhǔn)。在電氣連接上，單片機(jī)的RXD端口接PC機(jī)串口的TXD，單片機(jī)的TXD端口接PC機(jī)串口的RXD，公共地連接在一起。而在軟件方面，除了要設(shè)置合理的波特率外，主要是下位機(jī)的串口中斷入口程序要將上位機(jī)發(fā)送來(lái)的顯示碼流中的字符顯示碼及相關(guān)控制字保存到相應(yīng)隊(duì)M及寄存器中，并要記得清除RI以便下一次接收。

4PROTEUS仿真及與KEIL的聯(lián)合調(diào)試

下位機(jī)系統(tǒng)按照?qǐng)D1的硬件系統(tǒng)框圖進(jìn)行搭建，8015單片機(jī)可選擇AT89C51，RAM存儲(chǔ)器可選擇SK內(nèi)存的HY6264，同時(shí)需要一片74LS373作地址鎖存，驅(qū)動(dòng)及控制陣列用帶輸出鎖存的移位寄存器74LS595，LED點(diǎn)陣選用Φ3的8x8點(diǎn)陣模塊。在PROTEUS6.9SP5環(huán)境下的仿真原理圖如圖3所示，其中LED點(diǎn)陣只有兩個(gè)字，這對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)建和測(cè)試已經(jīng)足夠，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。

在PROETEUS6.9SP5環(huán)境下搭好電路原理圖后，還要按照?qǐng)D2所示的算法流程編寫(xiě)單片機(jī)的程序才能進(jìn)行仿真。程序的編寫(xiě)可以直接在PROTEUS下進(jìn)行，但PRO花US僅提供ASM51編譯器，即只能用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)源程序。單片機(jī)程序也可在KEILμvision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)，可以使用C或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)源程序，經(jīng)編譯后可以聯(lián)合仿真調(diào)試。

對(duì)于PROTEUS和KEIL的聯(lián)合仿真調(diào)試，需要對(duì)各自開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行一定的設(shè)置，具體方法如下:首先將PROTEUS安裝目錄下模型庫(kù)中的"VDM51.DLL"動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)復(fù)制到KEIL安裝目錄下的"C5lBIN"文件夾;然后修改KEIL安裝目錄下的"TOOLS.INI"文件，在【C51】子項(xiàng)中增加一行"TDRV5=BINVDM51.DL("proteusVSMSimulator")";其次打開(kāi)PROTEUS，在Debug菜單中勾選"UseRemoteDebugMonitor";最后在KEIL環(huán)境中編寫(xiě)程序并編譯后，在設(shè)置選項(xiàng)的調(diào)試標(biāo)簽中選擇"使用ProteusVSMSimulator"。以上步驟設(shè)置完成后即可進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試。