高速SoC單片機C8051F040在雙基色LED屏中的應用

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(tǒng)型MCU，具有64個數(shù)字I/O 引腳,片內(nèi)集成了1個CAN2.0B控制器。其主要特性有： (1)高速流水線結(jié)構的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達25 MIPS);(2)全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi)) 64 KB(C8051F040/1/2/3/4/5)可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器，(4K+256)B的片內(nèi)RAM，尋址空間為64 KB的外部數(shù)據(jù)存儲器接口和硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行通信接口，片內(nèi)集成看門狗定時器和VDD監(jiān)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(tǒng)。所有模擬和數(shù)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(tǒng)重新編程能力,可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲,并允許現(xiàn)場更新8051固件。每個MCU都可在工業(yè)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(qū)動方式

當向LED器件施加正向電壓時，流過的電流使其發(fā)光。因此,LED的驅(qū)動問題就轉(zhuǎn)化為如何使PN結(jié)處于正向偏置的問題。為了控制它的發(fā)光強度,還要解決其正向電流的調(diào)節(jié)問題。驅(qū)動方法分為直流驅(qū)動、恒流驅(qū)動和脈沖驅(qū)動。

2.1.1直流驅(qū)動

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

2.1.2 恒流驅(qū)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(fā)光強度的差異。若對LED器件進行恒流驅(qū)動，只要恒流值相同，發(fā)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(qū)動LED。

2.1.3 脈沖驅(qū)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(qū)動方式。脈沖驅(qū)動主要應用于掃描驅(qū)動和占空比驅(qū)動兩個方面。掃描驅(qū)動主要目的是節(jié)約驅(qū)動，簡化電路。占空比控制的目的是調(diào)節(jié)器件的發(fā)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(qū)動

目前普遍采用的是串行控制驅(qū)動方式,就是將顯示的數(shù)據(jù)通過串行方式送入點驅(qū)動電路,多采用4953+74HC595作為驅(qū)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(qū)動電路、譯碼電路和列數(shù)據(jù)電路?，F(xiàn)對接口電路數(shù)據(jù)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(shù)據(jù);

G1、G2：綠色LED列數(shù)據(jù);

CK：74HC595串行數(shù)據(jù)移位信號,上升沿將數(shù)據(jù)存入驅(qū)動模塊中的串行寄存器;

ST：74HC595數(shù)據(jù)鎖存信號,上升沿將串行數(shù)據(jù)存入并行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)電路分析

LED屏主要由顯示點陣以及行列驅(qū)動電路組成，顯示點陣多采用64×32板組成。由于LED發(fā)光器件數(shù)目較多，通常采用掃描驅(qū)動方式。掃描驅(qū)動電路通常采用多行的同名列共用一套列驅(qū)動器。行驅(qū)動器的行連到電源的一端，列驅(qū)動器的列連到電源的另外一端，當行驅(qū)動選擇第i行，列驅(qū)動器選擇第j列時,相應的LED就點亮?？刂齐娐分饕撠熡行虻剡x通各行，在選通每一行之前還要把該行各列的數(shù)據(jù)準備好。采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個列驅(qū)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(jù)列鎖存器的數(shù)據(jù)確定該列是否接通，接通的列就在該行點亮。當一行的持續(xù)掃描時間結(jié)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(shù)據(jù)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(qū)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?shù)谝恍袛?shù)據(jù)鎖存到行線上時，其內(nèi)部同時通過移位寄存器組織第二行數(shù)據(jù)，這使得行數(shù)據(jù)準備與顯示可以同時進行。對于列準備數(shù)據(jù)，它具有串入并出的移位功能,對于列顯示數(shù)據(jù)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(qū)動能力有限，因此在它的輸出端再接上8片4953(每片可以驅(qū)動兩行)以增強行驅(qū)動能力。138譯碼器ABC 3條信號線可產(chǎn)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(shù)據(jù)到線上,則該行二極管導通，顯示數(shù)據(jù)。

本文LED雙色板采用16線掃描方式，用ABCD 4條掃描線結(jié)合2片74HC138產(chǎn)生16線掃描信號。

3 LED顯示屏對單片機控制系統(tǒng)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 ?滋s,平均指令條數(shù)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 ?滋s，C8051F040 70%的指令執(zhí)行周期為1~2個時鐘周期，故平均指令執(zhí)行時間為2×0.045 ?滋s=0.9 ?滋s，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(jù)以上地址進行行掃描。