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上的點陣數據文件，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顯示靈活多樣的文字或者動畫，具有性價比高、體積小等優點。
關鍵詞： 點陣LED屏幕；控制器；ATmega644
0 引言
隨著國民經濟的發展，商品的廣告以多種多樣的方式呈現在消費者面前。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、節能、壽命長等優點，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]。考慮到目前點陣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顯示存儲在SD卡上的點陣數據文件，能調節顯示速度，并能夠根據需求并聯工作，實現對更大規模的點陣LED的控制，具有調節和更換顯示內容方便、結構簡單、可擴展、可靠性高等優點。
1 系統概述
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卡內存儲的點陣數據，讀取完一幀數據后，通過驅動電路串行地發送給LED控制芯片。此LED控制芯片能夠接收并存儲9 B的點陣數據，分別對應相鄰3個像素點的RGB亮度數據。當單片機發送過來的數據超過9 B時，LED控制芯片會把數據串行地發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據，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卡最小系統及其驅動電路等。而在LED控制芯片上則選用Titan Micro公司生產的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、驅動電路和LED控制電路。
2.1 ATmega644最小系統
ATmega644單片機是美國ATMEL公司生產的8位RISC結構的單片機，具有64 KB的閃存、4 KB的內存，最高運行頻率為20 MHz。該單片機的指令為單周期指令，執行效率很高，支持在線下載。ATmega644單片機及SD卡最小系統的原理圖如圖2所示。
ATMega644單片機最小系統由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。單片機系統的晶振采用的是11.059 2 MHz的晶振，也可根據需要更換為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卡進行數據的讀寫操作。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卡端的所有數據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電路，以便達到信號可靠傳輸的目的。本文采用的驅動電路原理圖如圖3所示。
該驅動電路采用的芯片為74HC245，是一種三態輸出、八路信號收發器，其接口的輸入、輸出電流能夠達到35 mA，在設計中，采取兩路收發器共同發送同一個信號，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，數據傳輸方向由端口A到B。
2.3 LED控制電路
LED控制芯片上則選用的是Titan Micro公司生產的TM1809，該芯片內部集成有MCU數字接口、數據鎖存器、LED高壓驅動等電路，通過外圍MCU控制實現該芯片的每路單獨輝度、級聯控制實現戶外大屏的彩色點陣發光控制。該芯片共有9個輸出端口，能夠連接9個LED，實現控制3個RGB像素的24位色彩控制。通過多級串聯，完全能夠實現對彩色點陣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腳為串行數據輸入腳，連接單片機驅動電路上的DAT1腳；其第3腳為串行數據輸出腳，連接下一級TM1809的14腳，按照這種連接方式實現級聯控制。在接收點陣數據時，每一級芯片接收完9 B的點陣數據后會自動把數據串行地發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卡內的數據，并通過單片機端口串行地把數據發送給TM1809，直到發送完整幀的數據，然后控制TM1809輸出當前幀數據給LED顯示，接下來再處理下一幀數據。
設計單片機軟件的難點在于SD卡數據的讀取和驅動TM1809。其中，SD卡中存儲數據文件用到的是FAT32文件系統，需要單片機軟件根據FAT表的信息判斷文件存儲的位置、幀大小、每扇區幀數等信息，以便完整地讀取所需要的文件內容。
由于單片機向TM1809發送數據采用的是單線串行發送，因此需要準確地控制數據時序。TM1809對數字“0”的規定為600 ns的高電平，緊接著1 200 ns的低電平；對數字“1”的規定為1 200 ns的高電平，緊接著600 ns的低電平；10 μs以上的持續低電平為復位信號。當發送完一幀數據后，緊接著發送一個復位信號，TM1809會將當前存儲的數據發送到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卡起始幀的數據，并以此判斷分區格式、分區表的位置等信息。讀取分區表內容，根據撥碼開關決定所需讀取數據的文件名，并由分區表判斷此文件起始幀的位置。接下來就可以讀取數據文件的第一幀，其第一幀并不是點陣數據，而是點陣數據的行數、列數、幀數等信息，第二幀才是點陣數據，讀取后發送給TM1809顯示。在接續讀取和發送點陣數據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據，如果都不是，則接續讀取下一幀數據。
除此之外，本文還設計了點陣數據文件的存儲格式。點陣數據文件在SD卡中以512 B為單位進行存儲。其第一個512 B存儲的數據為點陣數據的行數、列數、幀數等數據，不足512 B的空間將以0xFF補滿。從第二個512 B開始將是點陣數據，若一幀點陣數據不足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卡中的點陣數據，串行地發送到LED控制芯片中，刷新LED顯示動態圖像。同時，該控制器能夠通過撥碼開關調節顯示內容和顯示速度，并能夠通過并行連接多個控制器同步工作實現更大規模的顯示屏控制；并具有性價比高、體積小等優點。
參考文獻
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