摘要：設(shè)計(jì)使用宏晶科技的8位單片機(jī)STC12C5A60S2作為中央控制器，結(jié)合NAND閃存芯片K9F4008存儲(chǔ)漢字庫(kù)的8×128點(diǎn)陣LED數(shù)字屏，該點(diǎn)陣LED數(shù)字屏具有存儲(chǔ)信息后離線顯示的功能。可應(yīng)用到多種顯示環(huán)境，尤其像汽車(chē)等移動(dòng)工具上的脫機(jī)顯示環(huán)境。
關(guān)鍵詞： LED顯示; 單片機(jī); NAND Flash存儲(chǔ)器; 點(diǎn)陣字庫(kù)
自上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著LED顯示技術(shù)設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高，LED數(shù)字屏逐漸在生產(chǎn)和生活中大量使用，LED數(shù)字屏以其特有的顯示介質(zhì)，在大面積，全天候，高亮度和超高亮度顯示屏領(lǐng)域凸現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。LED顯示技術(shù)發(fā)展的十幾年中，新器件和新技術(shù)不斷采用，制造成本逐漸降低，生產(chǎn)分工不斷細(xì)化，但大量應(yīng)用的同時(shí)也暴露出LED顯示技術(shù)的若干缺陷，總體上技術(shù)尚未成熟，標(biāo)準(zhǔn)尚未完全建立，有許多方面值得進(jìn)行更深入的研究與改進(jìn)。
隨著大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，微處理器的運(yùn)算、控制能力大大增加，單片計(jì)算機(jī)已在很多工業(yè)及民用系統(tǒng)中承擔(dān)智能化的任務(wù)，與迅猛發(fā)展的運(yùn)算速度相比，其端口擴(kuò)展能力則遜色得多(數(shù)目有限且擴(kuò)展困難)，因此研發(fā)過(guò)程中不得不在節(jié)省端口上投入大量精力，目前國(guó)內(nèi)為解決端口擴(kuò)展問(wèn)題可采用軟件處理的方式，這樣加重了軟件編寫(xiě)的難度，或采用擴(kuò)展端口的專(zhuān)用芯片。這兩種方法將引起軟件成本的提高或硬件電路復(fù)雜度的提高,不利于一些小型系統(tǒng)的研發(fā)，STC12C5A60S2單片機(jī)具有多種串行傳輸模式,在一定程度上解決了這個(gè)矛盾。
LED數(shù)字屏應(yīng)用非常廣泛，不僅能顯示文字，還能顯示各種圖形、圖表，甚至各種動(dòng)畫(huà)效果，是廣告宣傳、新聞傳播的有力工具。
本文采用STC12C5A60S2單片機(jī)、接口NAND 閃存和上位PC機(jī),實(shí)現(xiàn)了對(duì)16×128點(diǎn)陣LED數(shù)字屏的控制。
1 芯片選型
1.1 屏體
由于屏體是商業(yè)成品，因此系統(tǒng)芯片的選型首選為能與屏體配合的芯片。屏體自備電源，能直接將蓄電池的能量轉(zhuǎn)變?yōu)? V的直流電源，并且這個(gè)電源也通過(guò)屏體的接口電纜輸出到系統(tǒng)板上。因此系統(tǒng)可直接引用該電源，不必自備電源電路。
1.2 單片機(jī)
綜合考慮屏體和系統(tǒng)需求，選用國(guó)內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)STC12C5A60S2。
STC12C5A60S2是新一代高速8051單片機(jī)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路,其工作電壓范圍是3.5 V~5.5 V，滿足要求的電壓。由于是單周期的8051（傳統(tǒng)8051是12周期）,可選擇較易于獲得準(zhǔn)確波特率的11.059 2 MHz晶振，而不必?fù)?dān)心工作速度降低。
STC12C5A60S2有60 KB的用戶應(yīng)用程序空間，256 B的RAM和1024 B的XRAM。能滿足程序代碼的需求和緩沖區(qū)定義的需求。另有與程序存儲(chǔ)空間獨(dú)立的一片閃存區(qū)域，可在應(yīng)用編程中作EEPROM使用。
STC12C5A60S2有雙UART以及ISP串口，串口資源足夠系統(tǒng)使用。另外通過(guò)宏晶科技提供的軟件，使用UART可很容易地實(shí)現(xiàn)程序下載。STC12C5A60S2有36個(gè)通用I/O口，大部分可位控，并具有強(qiáng)推挽輸出的能力，足夠系統(tǒng)使用。
STC12C5A60S2有4個(gè)16 bit定時(shí)器和一個(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器，另外還有兩個(gè)PCA模塊，能獲得豐富的定時(shí)器資源。STC12C5A60S2有PDIP-40封裝的芯片，易于快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。
1.3 閃存
因?yàn)?6×16點(diǎn)陣的漢字庫(kù)容量在250 KB左右，而MCS51的尋址空間只有64 KB。接口大于64 KB容量的普通存儲(chǔ)芯片就必須進(jìn)行總線擴(kuò)展，采用兩次鎖存地址的方法來(lái)讀寫(xiě)，既需要復(fù)雜的電路，又占用較長(zhǎng)的存取時(shí)間。同樣，NOR閃存與EPROM的引腳結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，有同樣的接口復(fù)雜性，成本也十分高。要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與字庫(kù)芯片的簡(jiǎn)單接口（不需擴(kuò)展），只能選用串行結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器或命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器。
串行結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器多為EEPROM，沒(méi)有很大的容量，不適合做字庫(kù)芯片。因此只有選用命令、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線的NAND閃存作為字庫(kù)存儲(chǔ)芯片。
字庫(kù)所需的容量不大，但最好能5 V供電，且編程的緩存要求較小的芯片。SAMSUNG公司出品的K9F4008W是一款512 KB的NAND閃存，僅有8個(gè)IO端口,且工作電壓范圍較廣(3 V~5.5 V),可以兼容3 V和5 V的硬件系統(tǒng)，并且?guī)幊虝r(shí)僅需要32 B的緩沖，正適合作為字庫(kù)存儲(chǔ)的芯片。
因此,閃存芯片的可電擦寫(xiě)特性頁(yè)非常適用于需要更換字庫(kù)的場(chǎng)合。故該芯片是十分理想的漢字庫(kù)存儲(chǔ)器。
2 電路設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電路的原理圖如圖1所示。
3 總體設(shè)計(jì)
3.1屏體接口模塊
屏體接口包括屏體接口頭文件、屏幕緩沖區(qū)的定義、屏體接口初始化、刷新定時(shí)器中斷服務(wù)程序和SPI中斷服務(wù)程序幾個(gè)部分。
屏體接口的頭文件screen.h應(yīng)該使屏幕緩沖區(qū)對(duì)其他應(yīng)用可見(jiàn)，并提供屏體初始化函數(shù)[4]。具體定義如下：
#ifndef _SCREEN_H_
#define _SCREEN_H_
#include "inc\board.h"
extern u8 xdata SCR_BUF[16][16];
void screen_init(void);
#endif
這樣就把屏幕緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)暴露給應(yīng)用，但應(yīng)用不必關(guān)心具體的屏幕刷新操作。
具體屏體接口的實(shí)現(xiàn)集中在一個(gè)文件screen.c中定義。具體如下：
首先是屏幕緩沖區(qū)定義：
u8 xdata SCR_BUF[16][16]_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes
其次是當(dāng)前顯示行和輸出列變量定義，屬于靜態(tài)變量，應(yīng)用程序不可見(jiàn)。
static u8 data row,col;
然后是屏幕初始化，包括刷新定時(shí)器0的初始化、SPI的初始化、鎖存bLatch信號(hào)的初始化、屏幕緩沖區(qū)的初始清零以及定時(shí)器和SPI中斷的優(yōu)先權(quán)和使能位的初始化[3]。代碼略。
SPI和定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序是屏體接口的關(guān)鍵。
定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序首先進(jìn)行掃描行增量取模運(yùn)算，并將掃描行輸出。然后依據(jù)掃描行取出屏幕緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)行的第一個(gè)字節(jié)發(fā)送到SPI端口。同時(shí)列增量。
void display_one_screen(void)interrupt 1 using 3{
row = (++row)&0x0f;
P0 = (P0 & 0xf0)|((~row)& 0xf);
col = 0;SPDAT = ~SCR_BUF[row][col++];
}
這樣編寫(xiě)的屏體驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用只要在初始化屏體后，向屏幕緩沖區(qū)中寫(xiě)入要顯示的數(shù)據(jù)即可，而不必關(guān)心屏幕顯示的細(xì)節(jié)。
3.2 UART接口
UART接口負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)，盡管發(fā)送可以同步進(jìn)行，但接收必須異步進(jìn)行。因而UART接口的核心仍然應(yīng)該是一個(gè)中斷服務(wù)程序。
UART接口的頭文件uart.h隱藏了接收緩沖區(qū)的信息，用戶可調(diào)用的函數(shù)只有初始化、發(fā)送和接收[1]。
#ifndef _UART_H_
#define _UART_H_
void uart_init(void);
void uart_put_c(u8 ch);
u8 uart_get_c(u8 *);
#endif
UART的接口實(shí)現(xiàn)首先定義一個(gè)接收緩沖FIFO，以及對(duì)FIFO的讀下標(biāo)uart_rd和寫(xiě)下標(biāo)uart_wr,他們都是文件內(nèi)可見(jiàn)的靜態(tài)變量:
static u8 xdata uart_buf[64];
static u8 uart_rd,uart_wr;
bit fSend
UART的初始化包括進(jìn)行FIFO的初始化和UART格式、波特率、中斷的初始化。代碼略。
UART的ISR主要是服務(wù)于接收，無(wú)條件地將數(shù)據(jù)裝入FIFO，并調(diào)整寫(xiě)入指針。
static void uart_isr(void)interrupt 4 using 1{
if(RI){RI = 0;
uart_buf[uart_wr++] = SBUF;
uart_wr &= 0x0f;
}
}
提供給用戶的發(fā)送程序首先檢測(cè)發(fā)送結(jié)束標(biāo)記，如果為0，表示上次發(fā)送尚未結(jié)束，直接返回錯(cuò)誤信息1。否則將要發(fā)送的信息發(fā)送并清零發(fā)送結(jié)束標(biāo)記。這樣設(shè)計(jì)的發(fā)送程序，其目的是將發(fā)送等待不限制在接口底層，而是給上層一個(gè)決定是否等待發(fā)送結(jié)束的機(jī)會(huì)。
u8 uart_put_c(u8 ch){
if(!TI)return 1;
TI = 0;SBUF = ch; return 0;
}
同樣，接收程序也給上層一個(gè)選擇等待的機(jī)會(huì)。接收函數(shù)首先判斷接收FIFO是否為空，如果為空或輸入指針參數(shù)錯(cuò)誤，則直接返回錯(cuò)誤，否則才從FIFO中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指針指向的地址，然后返回成功。
u8 uart_get_c(u8 *ch){
u8 i;
if(!ch)return 1;
if((i = (uart_rd+1)&0x0f) == uart_wr)return 1;
uart_rd = i; *ch = uart_buf[i];return 0;
}
3.3 閃存接口
閃存的存取有特殊的時(shí)序，閃存的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也和具體應(yīng)用要求有很大的不同。因此閃存的接口需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。
K9F4008閃存芯片的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)組織如圖2[5]所示。
K9F4008閃存的存儲(chǔ)以塊為單位，每個(gè)芯片共有128塊。每塊有32行，每行有4個(gè)幀，每幀含有32 B。全部芯片為512 KB。
閃存接口提供的閃存初始化函數(shù)中就包括對(duì)這樣情況的處理。初始化函數(shù)要從閃存的第一個(gè)塊中讀出一個(gè)塊映射表，該表下標(biāo)是邏輯扇區(qū)，表內(nèi)每項(xiàng)存儲(chǔ)的是該邏輯扇區(qū)對(duì)應(yīng)的物理塊編號(hào)。初始化函數(shù)在必要時(shí)對(duì)閃存進(jìn)行讀寫(xiě)校驗(yàn)，然后將壞塊從表中刪除。再尋找新的良好塊，將其編號(hào)填入到對(duì)應(yīng)邏輯扇區(qū)的表項(xiàng)中。這樣對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，只見(jiàn)到連續(xù)的扇區(qū)編號(hào)，而不知道扇區(qū)究竟對(duì)應(yīng)到那個(gè)塊[2]。
閃存的接口頭文件flash.h如下：
#ifndef _K9F4008_H_
#define _K9F4008_H_
void read_log_page(u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf);
u8 prog_log_page(u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf);
void erase_log_blk(u8 sector);
bit flash_init(void);
#endif
實(shí)現(xiàn)閃存的接口，首先就是依據(jù)說(shuō)明書(shū)的時(shí)序定義閃存的基本操作。這里是以宏定義實(shí)現(xiàn)基本操作的。
#define W_CMD(cmd_)\
bCLE=1; bWE=0; P2=(cmd_); bWE=1; bCLE=0
#define W_ADDR(addr1_,addr2_,addr3_)\
bALE=1; bWE=0; P2=(addr1_); bWE=1; \
bWE=0; P2=(addr2_); bWE=1; \
bWE=0; P2=(addr3_); bWE=1; \
bALE=0
#define W_DAT(dat_) bWE=0; P2=(dat_); bWE=1
#define wait_RB while(!bRB)
#define l2p(x_) fat_tbl[(x_)]
3.4 EEPROM
內(nèi)部集成的EEPROM是與程序空間分開(kāi)的，利用ISP/IAP技術(shù)可將內(nèi)部DATAFLASH當(dāng)EEPROM，擦寫(xiě)次數(shù)10萬(wàn)次以上。EEPROM可分為若干個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包含512 B。使用時(shí)，建議同一次修改的數(shù)據(jù)放在同一個(gè)扇區(qū)，不是同一次修改的數(shù)據(jù)放在不同的扇區(qū)，不一定要用滿。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擦除操作是按扇區(qū)進(jìn)行的。
sfr IAP_DATA = 0xC2; //Flash data register
sfr IAP_ADDRH = 0xC3; //Flash address HIGH
sfr IAP_ADDRL = 0xC4; //Flash address LOW
sfr IAP_CMD = 0xC5; //Flash command register
sfr IAP_TRIG = 0xC6; //Flash command trigger
sfr IAP_CONTR = 0xC7; //Flash control register
根據(jù)使用說(shuō)明對(duì)EEPROM的寄存器進(jìn)行定義。
參考文獻(xiàn)
[1] 石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門(mén)到精通[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社,2002.
[2] 王標(biāo)，周新志.嵌入式系統(tǒng)中NAND Flash寫(xiě)平衡的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(5-2):8-9,26.
[3] 黎友盛，周菁菁.大屏幕LED顯示屏的高速控制方案 [J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007（09）:48-50.
[4] 石長(zhǎng)華,周杰.基于Proteus的單片機(jī)漢字點(diǎn)陣顯示設(shè)計(jì)與仿真[J].景德鎮(zhèn)高專(zhuān)學(xué)報(bào),2007,22（04）:1-3.
[5] K9F4008W0A-TCB0[EB/OL]. http:// http://www.samsung.com.
[6] 康志亮，廖國(guó)剛.LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào),2006,15(04):297-301.