基于AVR单片机LED显示屏的灰度设计与实现

1 AVR单片机简介

　　AVR单片机是增强型内置FLASH的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机，硬件采用哈佛(Harward)结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令。支持在系统编程ISP，其中MEGA系列还支持在应用编程IAP。内置的FLASH程序存储器可擦写1000次以上，给用户的开发生产和维护带来方便。可擦写10万次的E2PROM，为掉电后数据的保存带来方便。AVR单片机有丰富的片内资源，如RTC，WATCHDOG，AD转换器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，I／O口功能强、驱动能力强。

2 系统整体设计方案

　　LED显示系统主要由3部分构成：PC上位机图像文字转换与数据发送单元、主控单元以及显示子模块。

　　上位机完成把图像和文字转换成为显示屏的显示码，并且把显示信息发送到主控单元上。主控单元选用具有32kB片内FLASHROM和2kB片内RAM的AT-mega32单片机，没有外挂存储器。如果要存储更多的显示信息，可以选用具有64kB片内FLASHROM的AT-mega64或者具有128kB片内FLASHROM的AT-megal28，也可以外挂存储器来增大存储能力。主控单元主要完成对显示数据的滚动和分割处理，然后通过异步串行口发送到每个子模块中。每个显示子模块用4片8×8单色点阵块拼成1个16×16的点阵屏，用一片ATMEGA8完成扫描动态显示。

　　主控单元与显示子模块的数据通信采用标准的异步串口格式，每帧数据包括1个起始位，8个数据位，1个地址／数据标示位，1个停止位共11位。数据传输码率为625kb／s，字节传输速率为56.8kB／s。每个子模块由256个LED构成，实现16阶灰度每个LED需要4b空间，因此每个显示子模块全屏数据量为128B，外加1B的寻址字节共129B。主控单元更新显示子模块的显示内容时，对所有子模块按地址逐个发送显示数据，更新完所有子模块数据后，再发送一个特殊的地址字0xFF作为控制字，使所有子模块同时更新显示数据，这样可以避免当屏幕较大，显示子模块数量较多时各子模块画面更新不同步的问题。对本设计中完成的6×4个显示子模块而言，由于通讯速率限制，画面更新速度最高可达56800／(129×24+1)=18.34帧／s，由于主控单元还要完成全屏数据的分割和显示内容的移动控制，所以其实际帧数低于上述值，不过用于普通的图片显示已经可以达到要求。

　　现场应用中，可以不需要PC上位机，只需把要显示的信息存储在主控单元，即可通过主控单元中的按键来选择显示的内容及方式，可循环显示，文字信息还可以上下左右滚屏显示。

3 系统硬件设计

　　该系统由两部分硬件电路组成：主机板电路和子模块显示驱动电路。

3.1 主机板电路

　　主机板电路十分简洁，由ATmega32组成的最小系统和RS232，RS485接口电路组成。

　　主机板上的数据由异步串行口发送到各个子模块中，为了在提高传输速度和距离的情况下仍能够保证数据传输的可靠性，主机板上发出的信息转换成为RS485信号，采用带屏蔽层的同轴电缆传输到LED子模块上。转换所用接口芯片为MAX485，该芯片工作于5V电压下，最高传输速度可达到2.5Mb／s，传输距离可达l200m。采用带屏蔽层的同轴电缆可以降低传输过程中产生的信号干扰。

　　在需要从PC上位机下载数据到FLASHROM时，通过MAX232芯片实现ATmega32和PC机的通信。

3.2 子模块显示驱动电路

　　子模块显示驱动电路由RS485转换电路、子模块地址标识电路和点阵驱动电路组成。RS485转换电路和主机板中一样，同样采用MAX485作电平转换。

　　由于采用单片机的异步串行口进行多机通信进行数据传输，每个子模块应该有和其位置相对应的地址标识。地址标识电路采用8位并进串出芯片74HCl65和8位拨码开关组成，因此本系统最多可以容纳255个子模块(地址OxFF作为更新子模块显示的控制字)。如果简单地通过软件内部的设定来决定各个子模块的地址，每个AT-mega8所对应的程序会有差别，这样会给程序的烧写带来不便，因此采用外部硬件电路对子模块的地址进行标识。采用74HC165作串并行转换是为了节省单片机的引脚资源。

　　led点阵采用动态扫描法进行驱动，并且实现16阶灰度显示，为了节省单片机程序中扫描程序的时间消耗，提高扫描速度，显示数据采用并行输出的方法。驱动电路采用4-16译码器74HC154译码后驱动16个中功率三极管8550作为行选，2个8位数据锁存器74LS373作为行数据锁存。