摘  要： 設計了一種彩色點陣LED大屏幕的控制器，該控制器采用單片機讀取存儲在SD上的點陣數(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,。該控制器能夠存儲并動態(tài)顯示靈活多樣的文字或者動畫，具有性價比高,、體積小等優(yōu)點,。

　　關鍵詞： 點陣LED屏幕；控制器,；ATmega644

0 引言

　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,，商品的廣告以多種多樣的方式呈現(xiàn)在消費者面前。其中,，戶外的點陣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,，并具有高亮度,、防水、節(jié)能、壽命長等優(yōu)點,，用途越來越廣泛[1-3],。

　　點陣LED屏幕控制器負責對LED顯示內(nèi)容進行控制和實時更新，是LED屏幕工作的必需部分,。LED控制器的工作原理,、顯示內(nèi)容存儲或獲取方式、刷新速度等因素都關系到LED廣告牌的顯示效果和工作的便利性[4-5],?？紤]到目前點陣LED屏幕控制器市場存在較多問題，本文基于單片機,、彩色點陣LED驅動控制芯片和SD卡，設計了一種彩色點陣LED屏幕控制器,。設計的彩色點陣LED屏幕控制器能夠選擇并循環(huán)顯示存儲在SD卡上的點陣數(shù)據(jù)文件,，能調節(jié)顯示速度，并能夠根據(jù)需求并聯(lián)工作,，實現(xiàn)對更大規(guī)模的點陣LED的控制,，具有調節(jié)和更換顯示內(nèi)容方便、結構簡單,、可擴展,、可靠性高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)概述

　　彩色點陣LED屏幕控制器主要由單片機,、SD卡,、電源及相應的輸出電路組成。另外在點陣LED驅動部分,，采用與LED集成在一起的控制芯片進行控制,，專用的橫流電源為其供電。其結構框圖如圖1所示,。

　　單片機主要負責讀取SD卡內(nèi)存儲的點陣數(shù)據(jù),，讀取完一幀數(shù)據(jù)后，通過驅動電路串行地發(fā)送給LED控制芯片,。此LED控制芯片能夠接收并存儲9 B的點陣數(shù)據(jù),，分別對應相鄰3個像素點的RGB亮度數(shù)據(jù)。當單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)超過9 B時,，LED控制芯片會把數(shù)據(jù)串行地發(fā)送給相鄰的下一級控制芯片,，直至所有的控制芯片都接收到點陣數(shù)據(jù)，就可以進行一次顯示,。

2 硬件設計

　　在彩色點陣LED控制器的硬件上,，主要設計了基于ATmega644單片機、SD卡最小系統(tǒng)及其驅動電路等。而在LED控制芯片上則選用Titan Micro公司生產(chǎn)的TM1809的具有9通道LED驅動控制專用芯片,。

　　以下將分別介紹ATmega644單片機及SD卡最小系統(tǒng),、驅動電路和LED控制電路。

　　2.1 ATmega644最小系統(tǒng)

　　ATmega644單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的8位RISC結構的單片機,，具有64 KB的閃存,、4 KB的內(nèi)存，最高運行頻率為20 MHz,。該單片機的指令為單周期指令,，執(zhí)行效率很高，支持在線下載,。ATmega644單片機及SD卡最小系統(tǒng)的原理圖如圖2所示,。

　　ATMega644單片機最小系統(tǒng)由5 V供電電源、晶振,、復位電路和程序在線下載電路組成,。ATMega644的復位電路由電阻、電容,、二極管和一個微動開關組成,，能起到延時啟動，按下開關瞬時重啟的作用,。單片機系統(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的晶振以提高運行速度。與ISP在線下載電路相連的是單片機的SPI接口和復位接口,。單片機的供電電源為5 V,，還需要額外的電源芯片轉換為3.3 V電源供給SD使用。

　　SD與單片機相連接的電路也是SPI接口,，可以用單片機的SPI接口方便地與SD卡進行數(shù)據(jù)的讀寫操作,。單片機的在線編程接口和SD卡與單片機通信用到的都是SPI接口，但是由于在線編程是SPI接口與復位接口配合使用的,，因此并不會產(chǎn)生沖突,。另外，由于單片機接口與SD卡接口的電源電壓分別為5 V和3.3 V,，并不兼容,，因此在線路上串接有100 Ω的電阻，以達到可靠通信的目的,。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 驅動電路

　　由于單片機接口的負載能力有限,，很難驅動距離較遠的芯片,，因而需要提高其驅動能力后再連接后續(xù)電路,，以便達到信號可靠傳輸?shù)哪康摹１疚牟捎玫尿寗与娐吩韴D如圖3所示,。

　　該驅動電路采用的芯片為74HC245,，是一種三態(tài)輸出、八路信號收發(fā)器,，其接口的輸入,、輸出電流能夠達到35 mA，在設計中,，采取兩路收發(fā)器共同發(fā)送同一個信號,，其最大能夠輸出或輸入70 mA的電流，保證了信號的可靠傳輸,。由于該電路的信號傳輸是單向的,，由單片機到LED控制電路，因此74HC245方向控制端接高電平,，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高壓驅動等電路,，通過外圍MCU控制實現(xiàn)該芯片的每路單獨輝度,、級聯(lián)控制實現(xiàn)戶外大屏的彩色點陣發(fā)光控制。該芯片共有9個輸出端口,，能夠連接9個LED,，實現(xiàn)控制3個RGB像素的24位色彩控制。通過多級串聯(lián),，完全能夠實現(xiàn)對彩色點陣LED顯示屏的控制,。LED控制電路原理圖如圖4所示。

　　在圖4中,，TM1809的14腳為串行數(shù)據(jù)輸入腳,，連接單片機驅動電路上的DAT1腳；其第3腳為串行數(shù)據(jù)輸出腳,，連接下一級TM1809的14腳,，按照這種連接方式實現(xiàn)級聯(lián)控制。在接收點陣數(shù)據(jù)時,，每一級芯片接收完9 B的點陣數(shù)據(jù)后會自動把數(shù)據(jù)串行地發(fā)送給下一級控制芯片,。

3 軟件設計

　　LED控制器的正常運行需要編寫相應的單片機軟件。本文設計的LED控制器中,，單片機的主要功能是通過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輸出當前幀數(shù)據(jù)給LED顯示,，接下來再處理下一幀數(shù)據(jù),。

　　設計單片機軟件的難點在于SD卡數(shù)據(jù)的讀取和驅動TM1809。其中,，SD卡中存儲數(shù)據(jù)文件用到的是FAT32文件系統(tǒng),，需要單片機軟件根據(jù)FAT表的信息判斷文件存儲的位置、幀大小,、每扇區(qū)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,，因此需要準確地控制數(shù)據(jù)時序,。TM1809對數(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 μs以上的持續(xù)低電平為復位信號,。當發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后,，緊接著發(fā)送一個復位信號，TM1809會將當前存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到LED顯示,。

　　單片機程序的流程圖如圖5所示,。單片機上電后首先進行端口、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)撥碼開關決定所需讀取數(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,，其第一幀并不是點陣數(shù)據(jù)，而是點陣數(shù)據(jù)的行數(shù),、列數(shù),、幀數(shù)等信息，第二幀才是點陣數(shù)據(jù),，讀取后發(fā)送給TM1809顯示,。在接續(xù)讀取和發(fā)送點陣數(shù)據(jù)之前要判斷撥碼開關是否變化，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,，本文還設計了點陣數(shù)據(jù)文件的存儲格式,。點陣數(shù)據(jù)文件在SD卡中以512 B為單位進行存儲。其第一個512 B存儲的數(shù)據(jù)為點陣數(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補滿,。從第二個512 B開始將是點陣數(shù)據(jù),，若一幀點陣數(shù)據(jù)不足512 B，同樣以0xFF補滿,，超出512 B將占用第二個直至更多個512 B,，不足512 B的空間將以0xFF補滿。

　　4 結論

　　本文設計了一種彩色點陣LED屏幕控制器,，該控制器通過單片機讀取SD卡中的點陣數(shù)據(jù),，串行地發(fā)送到LED控制芯片中，刷新LED顯示動態(tài)圖像,。同時,，該控制器能夠通過撥碼開關調節(jié)顯示內(nèi)容和顯示速度，并能夠通過并行連接多個控制器同步工作實現(xiàn)更大規(guī)模的顯示屏控制,；并具有性價比高,、體積小等優(yōu)點。

　　參考文獻

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