基于SPCE061A的点阵电子显示屏设计

1 引言

在车站、商场、证券交易所、厂矿企业等一些公共场所，经常需要由LED(发光二极管)电子显示屏发布实时多变的信息或进行广告宣传，要求 LED电子显示屏具有修改方便、实时图形和字符混合动态显示、亮度可调等功能。应用计算机对其进行操作和键盘进行设置就显得十分重要。

为了解决以往以8位单片机为核心的LED点阵驱动器速度慢，结构复杂，程序设计困难，功能单一等问题，本系统采用高速SPCE061A单片机，既提高了扫描速度，又保证了动态屏幕字符显示、图形显示、语音播报和语音控制等功能的实现。尤其是本系统增添了屏幕亮度可调功能后，限制了LED中通过的平均电流；又因为SPCE061A的供电电源为3.3~5.0V，这样既可降低功耗、保护LED，又可延长点阵电子显示屏的使用寿命。

2 电子显示屏功能

本文设计的基于SPCE061A的点阵电子显示屏实现了汉字、字符、数字、实时时间

等信息的动态显示，能够做到屏幕信息左右、上下滚屏显示，并可设置显示速度。手动或光敏自动调节LED显示亮度。

通过计算机人机界面和控制屏键盘可以随时设置系统的显示模式。

本系统具有掉电信息保存功能。掉电后主控制器可将显示内容和显示模式等信息保存在Flash中，再次上电后可以继续显示。

此外系统具有语音功能，可以定时播报时间，显示即时内容；使用语音识别技术可以进行简单的语音控制。

3 显示屏硬件电路设计

LED点阵显示由8*8共64个发光二极管组成。控制时，分别控制阳极8个行控制口和阴极8个列控制口。显示时，向阳极送字模,向阴极送选通信号。送出一行的字模,再送选通信号,再送第二行的字模和选通信号，循环扫描8次,就可以在一块点阵上显示一个字符。显示汉字用16*16 LED,所以一个显示单元由4块8*8点阵组成。一次送两个字节的字模,16列选通信号。

该点阵显示系统以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心,由LED点阵电子显示器，电源,电流驱动电路,地址译码电路,串行接口电路,键盘,时钟模块和计算机控制界面组成，系统框图如图1所示。

图1 点阵电子显示屏系统框图

3.1 主控制器功能

本设计采用16位SPCE061A单片机。该单片机主频最高可达49MHz，处理速度很快，且主频可通过软件调整，能有效解决闪屏问题。硬件资源丰富，内部拥有32KB flash闪存和2KB RAM，在不外扩存储器的情况下就能完成较大的数据存储，大大简化了外围接口电路； 32个通用I/O口，专为低功耗设计，在省电模式下，时钟停止，耗电仅为2uA/3.6V。另外,该芯片支持在线仿真,编程接口,可方便实现在线调试。

SPCE061A有丰富的语音功能。1个10位的DAC（数模转换器），麦克输入通道内置麦克风放大器和自动增益（AGC）功能^[1]；其集成开发环境还配有丰富的语音接口函数API。为本系统扩展语音功能提供了丰富的软硬件环境。

3.2 驱动电路

驱动电路分为行驱动电路和列驱动电路，行驱动电路如图2所示。

图2 行驱动电路

行驱动即LED的阳极，原理是送出电流使二极管发亮，由74HC595和驱动芯片ULN2803组成。主控制器将字模通过串行方式送给控制阳极的串转并器件74HC595。74HC595是CMOS型TTL器件，功耗低，且速度可达到100MHz,适合作LED的显示驱动^[2]。每个显示单元,由两片74HC595级联控制,一个显示单元需两片74HC595，字模数据信号由主控制器分别送出,时钟等控制信号则通过同一个I/O口同时送出。这样既能避免互相干扰,又能灵活控制。TTL电平的驱动能力有限，只能驱动8个TTL器件，当显示单元配置较多时，驱动能力不够，信号可能误传，解决的方法是加一级74HC245，将一路信号变成8路输出，提高了驱动能力，保证信号的准确性。由于动态扫描的扫描速度心须达到60HZ以上,否则会产生闪烁现象,因此提高扫描速度至关重要。在程序中将缓冲区内各个单元的字模整合成为一个数并行送出,可以提高扫描速度。74HC595将字模送给 ULN2803驱动LED的阳极。ULN2803是8路达林顿管，驱动能力较强，单路最大输入电流可达500mA；由于ULN2803不能输出高电平，驱动时须加上合适的上拉电阻以获得合适的驱动电流。

列驱动即控制LED的阴极，原理是输入电流也采用ULN2803做列驱动器。点阵显示必须用动态显示，任何时刻只能有一列选通，特别设计将各个显示单元的对应列接在一起,这样扫描一个显示单元的周期就完成了整个显示屏扫描,提高了扫描速度。一个显示单元的16路选通信号首先由4-16译码器 74154送出，再送给列驱动器，由于ULN2803为反向驱动,故在74154和ULN2803之间加7406作为反向。

3.3 亮度调节电路

显示屏的亮度调节是通过改变VCC的电压，从而调整流经LED的电流来实现的。亮度自动调节是利用