基于MSP430单片机的LED显示屏控制器设计

引言

随着社会的发展对信息的传播有越来越高的要求，LED电子显示屏以其色彩夺目，显示信息量大、寿命长、耗电量小、重量轻等特点，在社会经济发展中扮演着越来越重要的角色。但是在实际应用中仍然存在功能单一、更改显示信息麻烦、灵活性差等缺点[1-2]。因此设计一个新型实用的LED点阵显示屏系统是十分必要的。

1 系统方案设计

本设计主要有4大功能模块：16 ×16 LED点阵显示、PC串口通信、红外遥控、按键。可用PC机发送需要显示内容给MSP430单片机，MSP430单片机接收到内容后显示到16×16 LED点阵屏上，同时可通过按键或者红外遥控来控制点阵屏滚动播放的方式(上下滚动/左右滚动)。其系统框图结构如下图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 LED点阵显示控制原理

采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。控制器把需要显示的数据通常按字节的形式顺序存储在其存储器中。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。在串行传输的方式中，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。然而，由于是按顺序一位一位传输的，所以传输速度慢。串行数据传输的方法在硬件控制方面比较复杂，传输比较慢，但在扩展性方面存在的很大的优势[3-4]。考虑到16 ×16 LED点阵显示器[5]，并且采用的MSP430F147单片机有48个GPIO口可用，在设计时采用了并行控制方式。

1.2串行FLASH字库原理

常用的GB2312基本包含了一般LED上所显示的所有字符。故本设计也采用了GB2312字库。GB2312编码适用于汉字处理、汉字通信等系统之间的信息交换，基本集共收入汉字6763个和非汉字图形字符682个。整个字符集分成94个区，每区有94个位。每个区位上只有一个字符，因此可用所在的区和位来对汉字进行编码，称为区位码。把换算成十六进制的区位码加上2020H，就得到国标码。国标码加上8080H，就得到常用的计算机机内码。

每个字符的计算机内码作为存储该字符点阵信息的地址。得到内码后直接到该地址读取该字符的点阵数据便可显示到LED点阵屏上。本设计采用的FLASH是串行SPI接口。将字库存储到串行FLASH中，每个汉字在FLASH中都按汉字的计算机内码加上偏移地址来存储[6]。需要显示汉字时只需要知道汉字的计算机内码就可得到汉字在串行FLAH中的存储地址，从而可以得到汉字的点阵信息用来显示。

1.3 红外控制原理

通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，红外发射装置可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成[7]，红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。红外遥控器电路主要由：集成发射芯片、晶体振荡器、红外线发射管、推动晶体三极管、导电橡胶等组成。图2为红外遥控系统框图。

图2 红外遥控系统框图

红外线发光二极管的作用是不可替代的，因为它是能把电信号转换成为红外线光信号的核心元器件。通过在红外发光二极管的两个引脚上加适当的电压它就可以发出的肉眼不可见的红外光。同样我们在红外线发光二极管两个引脚上加一个脉冲电压的信号时，红外发射二极管便会发出相同的脉冲光信号。

红外线的接收，是通过光敏器件(光电二极管)接收光信号后再转换为电信号供后端解析电路来进行信号解析的。光电二极管把光信号转换成之后的电信号，转换输出的电信号非常微弱不能直接应用，需要经过放大后才能被控制器所使用。故若仅使用光电二极管来完成红外信号的接收还必须在其后端添加解调和放大电路再输入给后端控制器。而目前市面上有封装一体的红外接收器，里面集成了外线接收电路、放大电路、整形滤波于一个芯片，只需要外部提供合适的电源，就可以实现把红外线的光信号脉冲转换成可供后端处理器识别的电信号。这种红外接收管一般在未接收到红外信号时为高电平，当有红外信号时则变为低电平。

本设计就采用的是红外接收管，其型为为HX1838。HX1838内部集成有解调电路、放大器以及光电二极管。其输出端直接输出高低电平，故单片机只需要判断高低电平的时间就可解析出“0”和“1”，从而实现二进制解码。

2 硬件电路设计

2.1 电源电路设计

本设计通过USB提供5V电源。由于单片机MSP430F147需要3.3V电源，选用Leaner的LDO芯片LT176333。LT176333的功率低、噪音非常小、压强差也很小。该芯片可以提供500 mA的电流输出,300 mV的差压电压。LT176333电压调节器的1个重要特性是低输出噪音。本设计直接通过USB接口引入5V电源经过LT176333芯片得到3.3V给单片机提供电源，如图3所示。

图3 电源电路设计

2.2 单片机抗干扰电路设计

MSP430F147电路主要由晶振电路，复位电路以及电源构成单片机最小系统，同时为了调试方便设计时留有JTAG接口。MSP430单片机为模拟部分单独提供电源以减少数字电源对其的干扰。为减少模拟电源与数字电源之间的干扰，此处对模拟电源和模拟地之间用0R电阻连接。为防止电源上的波动，模拟电源和数字电源入口处都加有滤波电容。图4为抗干扰电路。

图4 抗干扰电路

2.3 LED点阵驱动电路设计

本设计采用并行接口驱动一个16X16 LED点阵。由于单片机的GPIO口驱动能力有限，在LED点阵的阳极端采用一个P-MOS加NPN驱动[8]。

P-MOS是N型沉底P沟道金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管，其有G、D、S三个脚，通过G、S间加控制信号时可以改变D、S间的导通和截止。当VGS大于等于0时，D、S截止；VGS小于0时，D、S导通。P-MOS型号为SI2301，此管DS端可通过1A的电流，故驱动LED完全足够。

此设计中用单片机的GPIO口来驱动NPN的导通与截止，NPN驱动P-MOS的导通与截止，这样就能控制阳极的电源通与断。当GPIO口为低电平是NPN截止；此时P-MOS的G极通过R81上拉，此时P-MOS的G极和S极电压相等，故P-MOS截止，则LED无电源接入。当GPIO口为高电平是NPN导通；此时P-MOS的G极电压通过R81和R88电阻分压使其电压低于S极电压，故P-MOS导通，则LED电源接入。

阴极采用一个NPN驱动。在LED点阵的阳极采用一个P-MOS加NPN驱动。单片机的GPIO口来驱动NPN的导通与截止，NPN驱动P-MOS的导通与截止，这样就能控制阳极的电源通与断。图5(a)为阳极驱动电路。由于单片机的GPIO灌电流太小，当16个灯同时亮时估计大概有320mA(20mA X 16)电流。故在LED的阴极也采用NPN驱动。由单片机的GPIO口来控制NPN的通断，从而控制LED阴极与地的通断。图5(b)为阴极驱动电路。

(a)阳极驱动

(b)阴极驱动

图 5 点阵驱动电路

2.4 串行FLASH字库电路设计

本设计的字库数据采用串行FLASH W25X16存储。共8192个可供编程页面，256字节每页。W25X16 支持标准SPI接口，最大传输速率75MHZ。四线制：①串行时钟引脚C;②芯片选择引脚;③串行数据输出引脚；④串行数据输入输出引脚D。另外芯片还具有保持引脚(hold)、写保护引脚(WP)、可编程写保护位(位于状态寄存器bit1)、顶部和底部块的控制等特征，使得控制芯片更具灵活性[9]。W25X16采用3.3V供电，用SPI接口与单片机通信。图6为串行FLASH电路。

图6 串行FLASH电路

2.5 红外接收电路与按键电路设计

采用HX1838红外接收头来接收红外数据。HX1838红外接收头的工作电压是2.7-5.5V,工作频率为38K,三个引脚:VCC,GND,OUT[10]。只需要给其提供工作电源，即可再接收到红外信号后通过OUT引脚输出。由于其输出引脚为推挽输出，故需在OUT引脚外接上拉电阻。本设计时为了得到稳定的电源在电源输入端采用RC滤波按键较少，故直接用GPIO口检测。四个按键分配四个GPIO，每个GPIO都接上拉电阻，当按键按下时GPIO口与地连接变为低电平。为了消除按键是的抖动，在每个按键上都连接有0.01uF的陶瓷电容。

2.6 串口通信电路设计

单片机串口需要与PC机进行通信，因为现在很多计算机都已经取消串口接口，而现在USB接口应用普遍，因此这个设计用了CP2102，这是USB转串口芯片[11]。这个串口芯片是一个高度集成的USB到UART桥，可以提供一个简单的解决方案，使用最小的组件和PCB空间来实现RS232。CP2101具有USB全速功能控制器，振荡器、USB收发器和异步串行数据总线(UART)具有所有调制解调器控制信号，所有功能都集成在IC中，无需其他的外部USB元件。 EEPROM 在应用板上进行编程可以通过USB ，这就可以在产品生产和调试过程中就能实现对它进行编程。应用驱动程序，可以很容易地用CP2101 实现一个有效的COM口。

即通过Micro-USB接口J1来给板子提供5V电源并与CP2102通过J1进行USB通信。5V电源可由开关SW1打开和关，当打开开关时5V电源指示灯D1就会亮起。PC机通过USB数据线连接到Micro-USB接口J1与板上的CP2102通过USB进行通信，同时CP2102将USB转换为UART与单片机进行通信，从而建立单片机与计算机之间的通信[15]图7为串口通信电路。

图7 串口通信电路

3 软件设计

本设计软件主要实现16×16 LED点阵显示。可实现任意字符以及汉字的显示，同时可通过按键控制向不同方向的滚动显示。并可通过红外遥控器输入相应的字符编码显示到LED屏幕上，同时可通过PC机发送需要显示的字符或汉字。其主要流程如图8所示。

图8 主流程图

3.1 LED点阵显示软件模块设计

本设计的LED点阵的行和列分别采用了16个GPIO口控制。显示扫描方式为行扫描，即从第一行开始扫描到第十六行，每扫描一行对其对应的列进行赋值。当扫描速度快时，人眼能看到不动的字符信息。

本设计的显示方式有五种形式：静态显示、向上滚动显示、向下滚动显示、向左滚动显示、向右滚动显示。显示方式通过按键来控制选择。

静态显示，即在LED点阵屏上显示出字符或汉字; 向上/向下滚动显示， LED点阵屏上显示的字符或者汉字慢慢上移或下移滚动显示。向上和向下滚动显示的实现简单说就是把要显示的字符在点阵信息在存储的数组中循环移动;向左/向右滚动显示，在LED点阵屏上显示的字符或汉字慢慢的向左或向右滚动显示。此功能实现其实是让字符或汉字的点阵数据中每个字节循环向右或向左移动，从而点阵屏的显示即为向左或向右循环移动。其动态显示流程如图9所示。

图9 动态显示流程图

3.2 串行FLASH字库软件模块设计

本设计需要实现任意字符以及汉字的显示，为实现此功能，需要把GB2312字库存储起来，供单片机提取所需字符或汉字的点阵信息。为存储GB2312字库，本设计采用了串行SPI FLASH芯片W25X16来存储。GB2312字库的大小约为280KB，使用2MB的FLASH存储是绰绰有余，考虑到可能会用到FLASH存储其他的数据，把字库从FLASH的第二页开始存储，留有第一页存储其他数据。W25X16包括15个基本指令，其中本设计主要指采用了读数据指令(0x03)。

3.3 按键与红外接收串口通信模块设计

4个按键分别实现LED的滚动显示功能。当红外接收程序启动后，对遥控按键进行扫描操作，当检测到相应的按键按下时，经解调后发送给控制器MSP430，从而实现不同的滚动显示方式。显示内容是通过串口与PC进行通信，把接收到的PC发送的需要显示的文字或图形在LED上显示。

4 总结

本设计的16 X16的LED显示屏，以MSP40为控制核心，借助串口助手实现PC通信，以FLASH串行方式实现字库的存储功能，并由红外电路实现遥控操作，通过对LED驱动电路的设计，最终实现具有静态、动态显示并实现遥控显示的LED控制屏设计，具有广泛的LED显示屏市场应用前景。