摘要：設(shè)計使用宏晶科技的8位單片機(jī)STC12C5A60S2作為中央控制器,，結(jié)合NAND閃存芯片K9F4008存儲漢字庫的8×128點陣LED數(shù)字屏,，該點陣LED數(shù)字屏具有存儲信息后離線顯示的功能?？蓱?yīng)用到多種顯示環(huán)境,，尤其像汽車等移動工具上的脫機(jī)顯示環(huán)境。
關(guān)鍵詞： LED顯示; 單片機(jī); NAND Flash存儲器; 點陣字庫

    自上世紀(jì)90年代以來,，隨著LED顯示技術(shù)設(shè)計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,。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)過程中不得不在節(jié)省端口上投入大量精力，目前國內(nèi)為解決端口擴(kuò)展問題可采用軟件處理的方式,，這樣加重了軟件編寫的難度,，或采用擴(kuò)展端口的專用芯片。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，甚至各種動畫效果,，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),實現(xiàn)了對16×128點陣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，并且這個電源也通過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,，選用國內(nèi)宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/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,。另有與程序存儲空間獨立的一片閃存區(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,。另外通過宏晶科技提供的軟件，使用UART可很容易地實現(xiàn)程序下載,。STC12C5A60S2有36個通用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16 bit定時器和一個獨立的波特率發(fā)生器，另外還有兩個PCA模塊,，能獲得豐富的定時器資源。STC12C5A60S2有PDIP-40封裝的芯片,，易于快速進(jìn)入實驗,。
1.3 閃存
　    因為16×16點陣的漢字庫容量在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讀寫，既需要復(fù)雜的電路,，又占用較長的存取時間,。同樣，NOR閃存與EPROM的引腳結(jié)構(gòu)相類似,，有同樣的接口復(fù)雜性,，成本也十分高。要實現(xiàn)單片機(jī)與字庫芯片的簡單接口（不需擴(kuò)展）,，只能選用串行結(jié)構(gòu)的存儲器或命令,、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線結(jié)構(gòu)的存儲器。
    串行結(jié)構(gòu)的存儲器多為EEPROM,，沒有很大的容量,，不適合做字庫芯片。因此只有選用命令,、地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線的NAND閃存作為字庫存儲芯片,。
    字庫所需的容量不大，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僅需要32 B的緩沖,，正適合作為字庫存儲的芯片,。
    因此,閃存芯片的可電擦寫特性頁非常適用于需要更換字庫的場合。故該芯片是十分理想的漢字庫存儲器,。
2 電路設(shè)計
    根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的電路的原理圖如圖1所示,。

3 總體設(shè)計

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,、刷新定時器中斷服務(wù)程序和SPI中斷服務(wù)程序幾個部分。
　    屏體接口的頭文件screen.h應(yīng)該使屏幕緩沖區(qū)對其他應(yīng)用可見,，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,。
    具體屏體接口的實現(xiàn)集中在一個文件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,。
　　static u8 data row,col;
    然后是屏幕初始化，包括刷新定時器0的初始化,、SPI的初始化,、鎖存bLatch信號的初始化、屏幕緩沖區(qū)的初始清零以及定時器和SPI中斷的優(yōu)先權(quán)和使能位的初始化[3],。代碼略,。
    SPI和定時器0的中斷服務(wù)程序是屏體接口的關(guān)鍵。
    定時器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)對應(yīng)行的第一個字節(jié)發(fā)送到SPI端口。同時列增量,。
　    void display_one_screen(void)interrupt 1 using 3{
　　    row = (++row)&0x0f;
　　    P0 = (P0 & 0xf0)|((~row)& 0xf);
　　    col = 0;SPDAT = ~SCR_BUF[row][col++];
　　    }
　    這樣編寫的屏體驅(qū)動,，應(yīng)用只要在初始化屏體后，向屏幕緩沖區(qū)中寫入要顯示的數(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的接口實現(xiàn)首先定義一個接收緩沖FIFO，以及對FIFO的讀下標(biāo)uart_rd和寫下標(biāo)uart_wr,他們都是文件內(nèi)可見的靜態(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,，無條件地將數(shù)據(jù)裝入FIFO，并調(diào)整寫入指針,。
　    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,，而是給上層一個決定是否等待發(fā)送結(jié)束的機(jī)會。
    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選擇等待的機(jī)會,。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)錯誤,，則直接返回錯誤，否則才從FIFO中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到指針指向的地址,，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,。
　　K9F4008閃存芯片的存儲結(jié)構(gòu)組織如圖2[5]所示。

　   K9F4008閃存的存儲以塊為單位,，每個芯片共有128塊,。每塊有32行，每行有4個幀,，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)中就包括對這樣情況的處理,。初始化函數(shù)要從閃存的第一個塊中讀出一個塊映射表,，該表下標(biāo)是邏輯扇區(qū)，表內(nèi)每項存儲的是該邏輯扇區(qū)對應(yīng)的物理塊編號。初始化函數(shù)在必要時對閃存進(jìn)行讀寫校驗,，然后將壞塊從表中刪除,。再尋找新的良好塊，將其編號填入到對應(yīng)邏輯扇區(qū)的表項中,。這樣對應(yīng)用來說,，只見到連續(xù)的扇區(qū)編號，而不知道扇區(qū)究竟對應(yīng)到那個塊[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
    實現(xiàn)閃存的接口,，首先就是依據(jù)說明書的時序定義閃存的基本操作。這里是以宏定義實現(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是與程序空間分開的,，利用ISP/IAP技術(shù)可將內(nèi)部DATAFLASH當(dāng)EEPROM，擦寫次數(shù)10萬次以上,。EEPROM可分為若干個扇區(qū),，每個扇區(qū)包含512 B。使用時,，建議同一次修改的數(shù)據(jù)放在同一個扇區(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)使用說明對EEPROM的寄存器進(jìn)行定義。
參考文獻(xiàn)
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