基于高速SoC單片機在雙基色LED屏中的應用

李瑞金 ， 金 林 ， 徐 軍 ，劉會釗

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院,安徽 淮南232001）

1 高速SoC單片機C8051F040特征

C8051F040系列器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有64個數字I/O引腳,片內集成了1個CAN2.0B控制器。其主要特性有：(1)高速流水線結構的8051兼容的 CIP-51內核（可達 25 MIPS）;(2)全速非侵入式的在系統調試接口（片內）64 KB（C8051F040/1/2/3/4/5)可在系統編程的Flash存儲器，(4K+256)B的片內RAM，尋址空間為64 KB的外部數據存儲器接口和硬件實現的 SPI、SMBus/I2C和兩個 UART串行通信接口，片內集成看門狗定時器和VDD監視器和溫度傳感器，具有時鐘振蕩器的C8051F04x系列器件,是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash存儲器還具有在系統重新編程能力,可用于非易失性數據存儲,并允許現場更新8051固件。每個 MCU都可在工業溫度范圍 （-45℃～+85℃）工作,工作電壓為 2.7 V～3.6 V。端口I/O、RST和 JTAG 引腳都允許5 V的輸入信號電壓。

2 LED硬件電路及顯示工作原理

2.1 驅動方式

當向LED器件施加正向電壓時，流過的電流使其發光。因此,LED的驅動問題就轉化為如何使PN結處于正向偏置的問題。為了控制它的發光強度,還要解決其正向電流的調節問題。驅動方法分為直流驅動、恒流驅動和脈沖驅動。

2.1.1 直流驅動

直流驅動是最簡單的驅動方法。LED的工作點由電源電壓、串聯電阻和LED器件的伏安特性共同決定。這種驅動方式適合LED器件較少、發光強度恒定的情況。

2.1.2 恒流驅動

LED器件的正向特性較陡,加上器件的分散性，使得在同樣電源電壓和同樣限流電阻的情況下，各器件的正向電流并不相同，從而引起發光強度的差異。若對LED器件進行恒流驅動，只要恒流值相同，發光強度就比較接近。晶體管的輸出特性具有恒流特性，因此可用晶體管驅動LED。

2.1.3 脈沖驅動

利用人眼的視覺惰性，采用LED器件重復通斷電的方式使之點亮，就是脈沖驅動方式。脈沖驅動主要應用于掃描驅動和占空比驅動兩個方面。掃描驅動主要目的是節約驅動，簡化電路。占空比控制的目的是調節器件的發光強度，用于圖像顯示中的灰度控制。在實際應用中往往是兩方面組合在一起使用。

2.1.4 常用LED顯示屏驅動

目前普遍采用的是串行控制驅動方式,就是將顯示的數據通過串行方式送入點驅動電路,多采用4953+74HC595作為驅動。

2.2 LED硬件電路介紹

256 B雙色 LED屏主要由 32塊 8×8 LED模塊、32片 74HC595、8片 4953、2片 74HC245和 2片 74HC138組成。LED屏按其電路分為接口電路、驅動電路、譯碼電路和列數據電路。現對接口電路數據線作介紹。

A、B、C、D：行掃描信號線，決定 16行中的哪一行點亮;

R1、R2：紅色 LED列數據;

G1、G2：綠色 LED列數據;

CK：74HC595串行數據移位信號,上升沿將數據存入驅動模塊中的串行寄存器;

ST：74HC595數據鎖存信號,上升沿將串行數據存入并行數據寄存器，同時屏體顯示更新;

EN：74HC138片選信號，有效時屏體點亮。

2.3 LED工作原理介紹

2.3.1 LED列數據電路分析

LED屏主要由顯示點陣以及行列驅動電路組成，顯示點陣多采用64×32板組成。由于LED發光器件數目較多，通常采用掃描驅動方式。掃描驅動電路通常采用多行的同名列共用一套列驅動器。行驅動器的行連到電源的一端，列驅動器的列連到電源的另外一端，當行驅動選擇第i行，列驅動器選擇第 j列時,相應的LED就點亮。控制電路主要負責有序地選通各行，在選通每一行之前還要把該行各列的數據準備好。采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。行譯碼器給出行有效信號，從第一行開始，按順序依次對各行進行掃描。根據列鎖存器的數據確定該列是否接通，接通的列就在該行點亮。當一行的持續掃描時間結束后，下一行又以同樣的方法進行顯示。每行都掃描一遍后，又從第一行開始下一個周期的掃描。只要掃描周期的時間比人眼閃爍臨界時間短，就感覺不出數據的更替，這是編寫軟件的重要思想步驟。

LED顯示屏采用74HC595作為列驅動電路，該芯片具備以下功能：具有8 bit的串入并出的移位寄存器和一個8 bit輸出鎖存器,移位寄存器和輸出鎖存器的控制各自獨立,因此當第一行數據鎖存到行線上時，其內部同時通過移位寄存器組織第二行數據，這使得行數據準備與顯示可以同時進行。對于列準備數據，它具有串入并出的移位功能,對于列顯示數據具有并行鎖存的功能。

2.3.2 LED行掃描電路分析

行掃描電路選用74HC138譯碼器，但由于該芯片驅動能力有限，因此在它的輸出端再接上8片4953（每片可以驅動兩行）以增強行驅動能力。138譯碼器ABC 3條信號線可產生8 bit輸出信號,每次選通一片4953即可對應其中一行，如果此時對應列鎖存輸出數據到線上,則該行二極管導通，顯示數據。

本文LED雙色板采用16線掃描方式，用ABCD 4條掃描線結合2片74HC138產生16線掃描信號。

3 LED顯示屏對單片機控制系統的要求

對于一個可正常顯示且不閃爍的LED顯示屏，其正常刷新頻率理論上至少不能少于50場/s。但實測表明只有大于55場/s(一場掃描時間大約18 ms)時,人眼才不會感覺到閃爍。對于64×32 LED來說,處理1 B的時間為 70.3 μs,平均指令條數為 Tb/1.5=70.3/1.5=47條。C8051F040晶振頻率為22.118 4 MHz，時鐘周期為 0.045 μs，C8051F040 70%的指令執行周期為 1～2個時鐘周期， 故平均指令執行時間 為 2×0.045 μs=0.9 μs， 滿 足LED顯示控制要求。

4 C8051F040與LED硬件電路

C8051F040與LED連接圖如圖1所示。

本電路采用C8051F040的P2口和P3口的高3位控制LED顯示，其中P2口的高4位連接138譯碼器的4根地址信號線(ABCD),分別是 P2.7接 A、P2.6接 B、P2.5接 C、P2.4 接 D、P2.3 接 G1、P2.2 接 G2、P2.1 接 CK、P2.0接 ST、P3.7接 EN、P3.6接 R1、P3.5接 R2。時鐘顯示電路選用PCF8563P芯片，采用I2C總線控制方式，SDA和SCL分別接P1.3、P1.2。溫度電路采用 18B20芯片，采用單總線控制方式，SDA接P0.3。

5 C8051F040控制LED軟件介紹

(1)功能介紹

這顯主要介紹C8051F040控制LED分屏顯示日期、時間和溫度。按照圖1所示的硬件連接，行掃描軟件地址可 分 配 為 0x00、0x80、0x40、0xc0、0x20、0xa0、0x60、0xe0、0x10、0x20、0x90、0x50、0xd0、0x30、0xb0、0x70、0xf0,編寫程序時將根據以上地址進行行掃描。

(2)軟件流程圖

C8051F040控制LED的主程序流程圖如圖2所示，顯示程序流程圖如圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 顯示程序流程圖

(3)C8051F040源程序

C8051F040的源程序如下。

(1)系統時鐘配置

(2)系統端口配置

(4)PCF8563與C8051F040的連接

PCF8563與C8051F040之間的硬件連接圖如圖4所示。

圖4 PCF8563與C8051F040之間的硬件連接圖

(5)PCF8563初始化流程

PCF8563初始化流程圖如圖5所示。

(6)DS18B20與C8051F040的連接

DS18B20與C8051F040之間的硬件連接圖如圖6所示。

(7)DS18B20測溫系統

DS18B20測溫系統流程圖7所示。

圖5 PCF8563初始化流程圖

圖6 D818B20與C8051F040之間的硬件連接圖

本文主要介紹了LED顯示的工作原理、硬件電路組成以及對單片機控制系統的要求等,利用C8051F040的特有優勢實現對LED的有效控制，可以直接驅動LED，不需要在控制板上再加一級總線驅動器，節約系統資源。本文還給出了具體部分軟件流程圖和源程序代碼，可根據硬件連接圖連接后正常顯示運行。本文在LED顯示屏的應用中具有一定的參考和應用價值。

圖7 PCF8563初始化流程圖

[1]靳桅,鄔芝權，李騏，等.基于51系列單片機的LED顯示屏開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2009.

[2]潘琢金.C8051F040混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[Z].新華龍電子有限公司，2004.

[3]譚浩強.C程序設計 [M].北京：清華大學出版社,2005.