為了開發(fā)LED信息顯示屏系統(tǒng)，對LED單行顯示屏下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，利用EDA軟件PRO-TEUS建立了基于51單片機(jī)的硬件電路原理圖，同時在KEIL環(huán)境下編寫了相應(yīng)的單片機(jī)通信和控制程序。經(jīng)PROTEUS與KEIL的聯(lián)合仿真和調(diào)試，證明了設(shè)計的可行性，開發(fā)出了包含從上位機(jī)接收字符信息并儲存在下位機(jī)存儲器中的串口通信部分和從存儲器讀出字符信息并顯示的顯示控制部分的顯示屏下位機(jī)系統(tǒng)。

0 引言

隨著發(fā)光二極管(LED)技術(shù)的發(fā)展，亮度高、功耗小的LE D不斷面世，技術(shù)上的可行和成本的降低使LED顯示屏有了應(yīng)用和發(fā)展的機(jī)會。同時，隨著計算機(jī)技術(shù)和基于計算機(jī)技術(shù)的電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)的發(fā)展，由于E DA技術(shù)具有可提高電子系統(tǒng)設(shè)計效率和可靠性、降低設(shè)計者勞動強(qiáng)度和設(shè)計風(fēng)險等眾多的優(yōu)勢，越來越多的電子系統(tǒng)的設(shè)計都會借助諸如PROTEUS, KEIL, MULTISIM,PROTEL,MATLAB等EDA工具。

本文從一個實(shí)際的LED顯示屏下位機(jī)的應(yīng)用設(shè)計出發(fā)重點(diǎn)論述了串口通信和顯示控制兩個部分，系統(tǒng)采用的EDA工具軟件主要是PROTEUS和KEIL

1 EDA及主要工具軟件簡介

EDA技術(shù)指以計算機(jī)為工作平臺，融合了電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果的現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前絕大多數(shù)電子系統(tǒng)的設(shè)計都會采用EDA工具軟件來完成。根據(jù)設(shè)計項(xiàng)目的不同及設(shè)計需求的不同，所采用的EDA軟件也不同，目前常用的EDA工具軟件主要有:PROTEUS, KEIL, MULTISIM,PROTEL,MATLAB，MAXPLUS,QUARTUS等。PROTEUS和KEIL是在EDA環(huán)境下進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)開發(fā)的完美組合。

1.1 PROTEUS簡介

Proteus軟件是英國Labcenter Electronic。公司研發(fā)的EDA工具軟件，它已具有近二十年的歷史，在電子行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，除了具有和其它EDA工具一樣的原理圖布圖、PCB布線及電路仿真的功能外，還具有革命性的功能:互動的電路仿真、針對微處理器的應(yīng)用，并可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，實(shí)現(xiàn)軟件源碼級實(shí)時調(diào)試，有顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出效果，配合軟件提供的虛擬儀器(示波器、邏輯分析儀等)，可以方便地進(jìn)行電子系統(tǒng)的開發(fā)。

1.2 KEIL μvision2簡介

KEIL協(xié)μvision2是美國Keil Software公司出品的15系列兼容單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，它是15系列單片機(jī)開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，集編輯、編譯、仿真功能于一體，支持匯編、PLM和C語言的程序設(shè)計，界面友好，易學(xué)易用，并可和PROTEUS聯(lián)合調(diào)試。

2 LED顯示屏下位機(jī)系統(tǒng)

對于 一個LED顯示屏系統(tǒng)來說，整個系統(tǒng)由上位機(jī)(一般由個人計算機(jī)擔(dān)當(dāng))和下位機(jī)(一般由單片機(jī)、ARM或CPLD、FPGA等擔(dān)當(dāng))組成。而下位機(jī)是整個系統(tǒng)的核心部分，也是設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分，下位機(jī)的性能在很大程度上決定整個系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)由于要顯示漢字字符信息，漢字編碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換、存儲及控制顯示由上位機(jī)還是下位機(jī)來承擔(dān)要有明確的分工，解決方案有兩個:一是將漢字庫顯示碼存儲在下位機(jī)中，上位機(jī)只傳送漢字編碼，由下位機(jī)通過編碼查找漢字顯示碼地址進(jìn)行漢字顯示;二是漢字編碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換由上位機(jī)軟件完成，串口通信傳送顯示碼，下位機(jī)只負(fù)責(zé)顯示碼的存儲和控制顯示。由于漢字庫對下位單片機(jī)來說較大，存儲成本高且電路復(fù)雜、程序編寫麻煩，而對上位機(jī)來說，漢字庫存儲和漢字編碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換編程容易，綜合考慮上位機(jī)及下位機(jī)的特點(diǎn)，決定采用第二套方案。

2.1硬件結(jié)構(gòu)

從硬件上來講，下位機(jī)系統(tǒng)主要由處于核心地位的8051單片機(jī)及與上位PC機(jī)通信的RS232接RAM存儲器、驅(qū)動控制陣列、LED顯示點(diǎn)陣等部分組成。本設(shè)計的下位機(jī)硬件系統(tǒng)框圖如圖1所

RS232 接口負(fù)責(zé)接收上位機(jī)傳來的漢字顯示碼，并向8051單片機(jī)發(fā)出中斷信號;單片機(jī)響應(yīng)中斷后將漢字顯示碼存儲于RAM中，RAM可根據(jù)設(shè)計需要選擇6264、62128或更大容量的存儲器;8051單片機(jī)在與上位機(jī)的通信結(jié)束且存儲完成后，將從RAM中取出顯示碼由驅(qū)動及控制陣列控制LED點(diǎn)陣進(jìn)行字符顯示。在硬件系統(tǒng)中，除了以上這些功能性器件外，電源的選擇也比較重要，由于在實(shí)際應(yīng)用中LED顯示屏面積一般較大，功耗普遍都在30W以上，而系統(tǒng)的供電電壓為5V，供電電流將達(dá)6A，為保證系統(tǒng)正常工作，必須使用開關(guān)電源。

2.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件是運(yùn)行于8015單片機(jī)的16進(jìn)制機(jī)器語言，可以由匯編語言或C51編寫，在KEIL開發(fā)環(huán)境中編譯成8051單片機(jī)的機(jī)器語言。下位機(jī)軟件的功能是配合硬件完成漢字顯示碼的接收、存儲及控制顯示，算法流程圖如圖2所示。

單片機(jī)初始化包含片內(nèi)RAM(包括計數(shù)寄存器等)初始化、RS232信設(shè)置初始化、中斷初始化等，對于傳輸是否完畢的判斷是將編碼在顯示碼流首字節(jié)內(nèi)的傳輸總字?jǐn)?shù)和單片機(jī)計數(shù)寄存器相比較，顯示之前的串口接收重置是為了下次串口通信的方便。在程序運(yùn)行的任意時刻，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送顯示碼會引起串口中斷，單片機(jī)會中斷當(dāng)前的工作并保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而接收顯示碼并存儲在片外RAM中，完成之后會返回中斷的斷點(diǎn)繼續(xù)前面的工作，由于中斷可能隨時發(fā)生，所以沒有在流程圖中畫出。

3 串口通信

通信部分是連接上位PC機(jī)和下位單片機(jī)的信息通道，由于RS223申口通信被單片機(jī)和PC機(jī)廣泛支持，而且通信協(xié)議簡單、便于電氣連接和編程控制，所以在本設(shè)計中采用RS232串口通信標(biāo)準(zhǔn)。在電 氣 連 接上，單片機(jī)的RXD端口接PC機(jī)串口的TXD，單片機(jī)的TXD端口接PC機(jī)串口的RXD，公共地連接在一起。而在軟件方面，除了要設(shè)置合理的波特率外，主要是下位機(jī)的串口中斷入口程序要將上位機(jī)發(fā)送來的顯示碼流中的字符顯示碼及相關(guān)控制字保存到相應(yīng)隊M及寄存器中，并要記得清除RI以便下一次接收。

4 PROTEUS仿真及與KEIL的聯(lián)合調(diào)試

下位機(jī)系統(tǒng)按照圖1的硬件系統(tǒng)框圖進(jìn)行搭建，8015單片機(jī)可選擇AT89C51，RAM存儲器可選擇SK內(nèi)存的HY6264，同時需要一片74LS373作地址鎖存，驅(qū)動及控制陣列用帶輸出鎖存的移位寄存器74LS595，LED點(diǎn)陣選用Φ3的8x8點(diǎn)陣模塊。在PROTEUS6.9SP5環(huán)境下的仿真原理圖如圖3所示，其中LED點(diǎn)陣只有兩個字，這對系統(tǒng)的構(gòu)建和測試已經(jīng)足夠，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。

在PROETEUS6.9SP5環(huán)境下搭好電路原理圖后，還要按照圖2所示的算法流程編寫單片機(jī)的程序才能進(jìn)行仿真。程序的編寫可以直接在PROTEUS下進(jìn)行，但PRO花US僅提供ASM51編譯器，即只能用匯編語言編寫源程序。單片機(jī)程序也可在KEILμvision2集成開發(fā)環(huán)境中編寫，可以使用C或匯編語言編寫源程序，經(jīng)編譯后可以聯(lián)合仿真調(diào)試。

對于 PROTEUS和KEIL的聯(lián)合仿真調(diào)試，需要對各自開發(fā)環(huán)境進(jìn)行一定的設(shè)置，具體方法如下:首先將PROTEUS安裝目錄下模型庫中的"VDM51.DLL"動態(tài)鏈接庫復(fù)制到KEIL安裝目錄下的"C5lBIN"文件夾;然后修改KEIL安裝目錄下的"TOOLS.INI"文件，在【C51】子項(xiàng)中增加一行"TDRV5=BINVDM51.DL("proteus VSM Simulator")";其次打開PROTEUS，在Debug菜單中勾選"Use Remote Debug Monitor";最后在KEIL環(huán)境中編寫程序并編譯后，在設(shè)置選項(xiàng)的調(diào)試標(biāo)簽中選擇"使用Proteus VSM Simulator"。以上步驟設(shè)置完成后即可進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試。

5 結(jié)束語

利用EDA技術(shù)進(jìn)行LED屏下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計可以提高設(shè)計效率和可靠性、降低設(shè)計的勞動強(qiáng)度和設(shè)計成本并可以在將來方便地修改設(shè)計。本設(shè)計旨在驗(yàn)證硬件設(shè)計和算法的可行性，在應(yīng)用到工程實(shí)際中時，還需要根據(jù)實(shí)際情況增加顯示控制器件及LED顯示模塊，同時還要考慮電源供電功率的問題及散熱問題。

來源： 湖北師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）作者 ：梅斌