基于51系列单片机的LED显示屏开发技术

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基于51系列单片机的LED显示屏开发技术【基于51系列单片机的LED显示屏开发技术】《基于51系列单片机的LED显示屏开发技术》以当今广告媒体中较为流行的LED显示屏控制系统为背景，结合基于51系列单片机的硬体控制系统，对LED显示屏的数据组织方式和灰度、亮度控制做深度剖析，详细地讲解了如何利用LED单元板驱动控制方式高效率地排列存储器中的数据。本书提供了一些经过实际套用项目验证的完整开发实例，供读者参考。
基本介绍书名：基于51系列单片机的LED显示屏开发技术
作者：邬芝权李骐
ISBN：9787811244656
定价： 49.00 元
出版社：北京航空航天大学出版社
出版时间： 2009
开本：16
内容简介在简要讲述普通51单片机和C51编程的基础上，《基于51系列单片机的LED显示屏开发技术》还对具有40MHz工作频率、单指令周期的增强型51单片机——VRS51L3074及其在LED显示屏控制系统中的套用做了详细介绍。《基于51系列单片机的LED显示屏开发技术》是国内第一本针对铁电单片机的书籍，为初学铁电单片机或是希望了解该单片机的读者提供了较为全面的资料和开发例程。此外还对通用LED显示屏上位机控制软体设计、LED显示屏控制系统常用时钟晶片DS1302、温度感测器DS18B20、二极体等模组控制程式和硬体电路进行分析和讲解。这些内容是作者近几年来部分开发工作的实践总结，有些是根据实际生产产品的提炼和推广。《基于51系列单片机的LED显示屏开发技术》内容丰富实用，图文并茂，适用于从事单片机开发和套用以及从事LED控制系统的研发人员和工程技术人员使用，也可以作为单片机爱好者、铁电单片机初学者，以及使用C51编程的研究生、本科生、专科生毕业设计的参考用书。目录第1章51系列单片机系统结构概述1.151单片机概述11.1.1单片机的分类11.1.28051单片机的套用31.1.38051单片机的开发31.1.48051单片机型号的选择41.1.5单片机学习的要点41.251单片机基本系统结构41.2.151单片机的结构框图及引脚41.2.2MCS51系列单片机主要功能部件61.2.3典型时钟电路和复位电路71.2.48051单片机I/O结构71.351单片机存储器结构81.3.1程式存储器91.3.2外部数据存储器101.3.3内部数据存储器空间111.3.4MCS51单片机特殊功能暂存器131.3.5常用特殊功能暂存器141.451单片机的指令系统及彙编语言设计要点161.4.1指令格式161.4.2伪指令171.4.3定址方式191.4.4指令类型211.5彙编程式设计341.5.1三种基本的程式结构341.5.2彙编程式设计的要点351.651单片机主要扩展功能部件391.6.1MCS51单片机定时/计数器391.6.2中断系统471.6.3串列口54第2章C51套用基础2.1KeilC51简介622.2C51程式设计基础知识632.2.1C语言的特点632.2.2一个简单的C51例子632.2.3C51的基础知识642.2.4存储空间定义642.2.5C51数据类型652.2.6C51存储空间的定义672.2.7C51的常量672.2.8C51常用运算符682.2.9C51表达式732.2.10C51的基本语句742.3C51的函式与数组802.3.1函式的定义812.3.2数组832.3.3结构(struct)862.3.4联合(union)872.4C51基本套用902.4.1I/O口位元组操作套用902.4.2I/O口位操作套用902.4.3计数器套用912.4.4外部中断套用912.4.5串列口中断套用922.4.6键盘显示程式93第3章铁电单片机VRS51L30743.1VRS51L3074概述1043.1.1功能说明1043.1.2引脚说明1063.1.3指令系统1093.2VRS51L3074的存储器结构1133.2.1内部数据存储区1143.2.2特殊功能暂存器区1143.2.3外部数据存储器组织1203.2.4外部数据汇流排访问1233.2.5FRAM铁电存储器的使用1273.3VRS51L3074晶片配置1333.3.1系统时钟配置1333.3.2处理器工作模式控制1353.3.3功能模组使能控制1363.3.4功能模组I/O映射与优先权1373.4通用I/O口1383.4.1I/O口结构1393.4.2I/O口方向配置1393.4.3I/O口输入使能控制1403.4.4I/O口锁存器1403.4.5I/O口驱动能力1413.4.6I/O口状态变化监控1413.5定时/计数器1423.5.1定时/计数器T0、T11433.5.2定时/计数器T21473.5.3定时器级联1503.5.4定时器套用例程1513.6脉冲宽度计数器(PWC)1513.6.1PWC模组配置暂存器1533.6.2PWC模组配置操作1553.6.3PWC模组例程1553.7串列口1563.7.1串列口UART01573.7.2串列口UART11593.7.3串列通信波特率计算1613.7.4UART0和UART1引脚映射1623.7.5串列口例程1633.8SPI接口1663.8.1SPI运行控制1673.8.2SPI配置和状态监控1683.8.3SPI传输字长1713.8.4SPI数据暂存器1723.8.5SPI数据输入/输出1733.8.6可变位数据传输1743.9I2C接口1753.9.1I2C运行控制1753.9.2I2C从机线上状态检查1783.9.3从机ID设定与I2C高级配置1803.9.4I2C例程1813.10脉冲宽度调製器(PWMs)1843.10.1PWM输出波形控制1853.10.2PWM模组时钟配置1883.10.3PWM模组例程188 3.10.4PWM模组的定时器工作模式1913.11增强型算术单元(AU)1943.11.1算术单元控制暂存器1953.11.2算术单元数据暂存器1983.11.3桶式移位器2003.11.4增强型算术单元整体结构2013.11.5算术单元基本运算例程2013.12看门狗定时器(WDT)2023.12.1看门狗定时器的控制2033.12.2採用外部时钟的情况下WDT的复位控制2043.12.3WDT基本配置例程2043.13中断系统2053.13.1中断系统概述2053.13.2中断允许控制2073.13.3中断源选择2083.13.4中断优先权2093.13.5引脚变化中断2093.14VRS51L3074JTAG接口2113.14.1激活JTAG接口对系统的影响2113.14.2板级JTAG接口的实现2123.14.3VRS51L3074调试器2123.15Flash编程接口（FPI）2123.15.1与FPI模组相关的特殊功能暂存器2123.15.2Flash存储器读操作2153.15.3Flash存储器擦除2173.15.4Flash存储器写操作218第4章LED显示屏工作原理4.1LED发光原理及其发展状况、趋势2244.1.1LED发光原理2244.1.2LED发展历史及趋势2254.2LED显示屏基本模组介绍2264.2.1光学和人眼视觉知识2264.2.2LED器件主要参数2274.2.3双基色点阵LED模组简介2284.3常用双基色LED显示屏基本控制单元2294.3.1室内双基色LED单元板结构介绍2294.3.2驱动方式分析2304.3.3室内双基色单元板电路分析2324.4LED显示屏分类及亮度、灰度控制2374.4.1LED显示屏分类2374.4.2LED显示屏亮度及灰度控制理论2384.5LED显示屏工程套用及维护概述2414.5.1LED显示屏的方案设计2414.5.2LED显示屏的安装2434.5.3LED显示屏的维修244第5章LED显示屏显示数据的组织5.1LED显示屏控制系统对单片机的基本要求2455.1.1LED显示屏对单片机控制系统的基本要求2455.1.2LED显示屏对单片机数据处理方式的基本要求2475.1.3指令最佳化对位元组处理时间的影响2485.2LED显示屏静态显示数据的组织2515.2.1静态显示的LED显示屏数据组织251 5.2.2静态屏的滚动显示2555.3LED显示屏动态显示数据的组织2585.3.1动态显示的LED显示屏数据组织2585.3.2显示区域中X、Y坐标与存储单元位元组地址i、位地址j之间的关係2615.4显示效果与占用显示数据存储器大小的关係2635.4.1显示效果与占用显示数据存储器大小的关係2635.4.2採用双RAM并行输出降低显示数据存储器的占用2675.4.3多RAM并行输出时双RAM并行输出方式的扩展270第6章基于51系列单片机的小型LED显示屏控制系统6.1单片机直接驱动LED显示屏2726.1.1显示数据存储在程式存储器中2726.1.2显示数据存储在扩展的外部并行数据存储器中2786.2利用单片机外部读写信号驱动LED显示屏2796.2.1单片机外部数据存储器扩展2796.2.2多个外部数据存储器扩展2806.3利用单片机SPI接口驱动LED显示屏2876.3.1SPI接口的特点2876.3.2利用SPI接口驱动LED显示屏2886.4单片机直接驱动LED显示屏套用实例291第7章单片机扩展外部地址计数器驱动大型LED显示屏7.1单片机访问外部数据存储器时间上的限制2977.2利用单片机多RAM技术驱动大型LED显示屏3017.2.1并行RAM方式3017.2.2串列存储器方式3077.3利用LED显示屏单元板排列方式驱动超长LED显示屏3087.3.1超长LED显示屏面临的问题3087.3.2LED显示屏的双向排列方式3087.3.3超长LED显示屏的数据组织与硬体实现3097.4利用多单片机系统驱动超大型LED显示屏3137.5基于DSP与FPGA的LED显示屏控制系统的设计3157.5.1DSP的特点及在LED显示屏控制系统中的套用3157.5.2基于FPGA的系统时序电路设计3167.5.3显示存储器模组设计3177.5.4LED显示屏分区3177.5.5显示存储器扫描时序控制电路318第8章LED显示屏的系统软体编程8.1汉字字型档的生成与使用3208.1.1汉字编码简介3218.1.2点阵汉字字型档3218.1.3在Windows环境下提取字模的工作原理3228.1.4提取字模的程式设计3228.2控制卡与PC机的协定制定3248.2.1控制命令字约定3258.2.2配置文本编辑3268.2.3直接数据格式定义3298.2.4存储器地址位置3318.2.5PC机端串列口通信模组3318.3汉字字形的提取及图片的嵌入333 8.3.1汉字字形提取3348.3.2图片的嵌入3398.4PC机对下载数据的预处理3398.4.1LED屏显示信息编辑及提取3408.4.2LED显示数据生成3408.4.3INTER格式数据转换342第9章LED显示屏单片机控制系统编程9.1基于SPI的Flash存储器读写3469.1.1SST25系列串列Flash存储器3469.1.2基于51单片机SPI接口的串列Flash驱动程式3509.2字元控制及处理程式设计3599.2.1字元控制处理程式设计3609.2.2字元点阵字模提取程式设计3679.3显示程式3729.3.1显示程式指令表3729.3.2读显示程式指令表3789.3.3执行显示程式指令表3819.3.4单场显示程式设计3849.4串列口通信模组设计3859.4.151单片机端串列口收发模组3859.4.251单片机端串列口扩展程式模组3889.5基于DS1302时钟模组程式设计3919.5.1DS1302的结构及工作原理3919.5.2DS1302的控制位元组说明3919.5.3复位3929.5.4数据输入/输出3929.5.5DS1302的暂存器3929.5.6DS1302在LED控制卡上的硬体电路及软体设计3939.6基于DS18B20温度感测器的模组设计3959.6.1DS18B20的工作时序3969.6.2DS18B20的程式设计397第10章VRS51L3074在LED显示屏控制系统中的套用10.1VRS51L3074与标準51单片机的比较40110.1.1VRS51L3074运行速度40110.1.2VRS51L3074的高速增强型SPI接口40210.1.3VRS51L3074的定时/计数器40210.1.4VRS51L3074的增强型算术运算单元40210.1.5VRS51L3074的其他部件40310.2VRS51L3074的基本套用40310.3VRS51L3074的RAM扩展套用40710.4VRS51L3074扩展硬体地址计数器40910.5VRS51L3074的扩展“双连线埠”串列FRAM412附录AASCII码錶415附录BMCS51单片机常用资料416附录CC51中的关键字和常用函式425附录DKeilμVision3中高性能铁电单片机（VRS51L2xxx/3xxx）的相关配置简介435附录E常用晶片引脚图440E.1CPU440E.2驱动晶片442E.3其他444附录F异步室内双基色LED显示屏故障排查简明手册449 附录GLED双基色单元板原理图451参考文献455序言我国开始使用单片机是在1982年， 20世纪90年代中期单片机技术和市场发展非常迅速。近年来，单片机已经成为科技领域的有力工具，人类社会生活的得力助手。它的广泛套用，不仅仅体现在工业控制、机电套用、智慧型仪表、实时控制、航空航天、尖端武器等行业和领域的智慧型化、高精度化，而且在人类日常生活中也随处可见它的身影。洗衣机、电冰柜、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，不仅提高了智慧型化程度，增强了功能，也使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。20世纪90年代后，嵌入式系统设计由以嵌入式微处理器为核心的“积体电路”级设计，逐渐转向“集成系统”级设计，在MCU（Micro Controller Unit）提出了系统晶片SoC（System on a Chip）的基本概念，例如， ARM公司的ARM、HP公司的PARISC及Sun公司的Sparc等等，它们为高性能嵌入式系统开发提供了功能丰富的硬体平台，也为实时嵌入式作业系统的广泛套用奠定了基础。这些高性能微处理器的推广套用是否就意味着单片机即将退出嵌入式微处理器的舞台呢？目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，其趋势将进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展，其功能也将越来越丰富，速度也越来越快，甚至有些方面并不逊于ARM或DSP 。还有最为重要的是生产成本问题，普通ARM或DSP的价格是一般单片机的几倍甚至数10倍，因此在大批量工业生产时，这也成为了厂商选择的重要因素。据相关部门统计，我国的单片机年容量已达1亿~~3亿片，且每年以大约16%的速度增长，所以综合单片机技术和市场需求等多方面情况来看，它仍然有自己广阔的套用前景。例如，本书所讲的铁电单片机——VRS51L3074 ，它内部自带精确的40 MHz振荡器，拥有ISP、IAP功能的JTAG及FPI等众多外围接口， 32 KB外部数据汇流排访问接口等等，具有许多普通51单片机所无法比拟的功能。与PIC高端单片机18系列比较，它在定时/计数器、PWC、PWM等方面都有较大优势，甚至和ARM7相比较很多技术指标也是不分伯仲，例如铁电的32位滚桶计数器、16位乘除法和32位加法运算单元、铁电存储器等。而且铁电公司预计在2008年底还将推出100 MHz铁电单片机，所以就目前单片机技术来看，其发展步伐没有减缓，反而在大幅度推进，原因不仅仅在于电子製造工艺的提高和电子科技的发展，最重要的还是因为市场对于它的大量需求。随着LED显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席之地。但是，由于LED显示屏控制较複杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆盖、霓虹灯效果，要求处理器运算速度快、执行效率高，所以很多控制卡生产厂家採用高端嵌入式系统进行设计。这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其设计不当可能在显示时出现抖动、闪烁、重影等现象。归根结底， LED显示屏控制卡的设计中硬体是一方面因素，同时还要考虑到显示数据组织方式，通过软硬结合的方法才能设计出一款性价比较高的控制卡。本书就如何高效率组织LED显示屏数据做了深度剖析，从显示基本原理到实际套用实现，都有详尽分析，并且在此基础上提出基于普通51系列单片机实现LED显示屏控制的原理及方法。通过单片机在LED显示屏控制卡中的套用，同时也印证MCU和SoC是嵌入式系统当今发展的两大分支，它们之间相互渗透、交叉，在硬体系统设计选择时，应根据实际需要，综合考虑开发、生产成本和技术难度等多方面因素。本书共10章，每章内容概括如下：第1章：简要介绍51单片机结构体系和主要功能部件，以及指令系统和彙编语言设计的要点。第2章：分析当前比较流行的C51编程要点、技巧，并列举常用实例辅助说明。第3章：详细讲解铁电单片机——VRS51L3074 ，对其功能部件进行深度探讨和解析，弥补这一新器件中文资料不足的缺陷。第4章：以市面上普遍使用的双基色单元板为平台，分析LED单元板驱动方式，并对LED显示屏亮度和灰度控制深入探讨、总结。第5章：通过对LED显示屏数据组织方式的讨论，归纳总结出静态显示和动态显示的规律，以及对应显示效果和存储器大小之间的关係。第6章：基于第5章中所提出的算法，以51系列单片机为例，通过具体套用实例说明该算法的可行性，并详细介绍如何利用单片机SPI接口驱动LED显示屏的方法。第7章：採用实例讲解如何利用单片机扩展外部地址计数器驱动大型LED显示屏。第8章：介绍LED显示屏的系统软体编程。第9章：介绍LED显示屏单片机控制系统编程，包括常用串列口驱动、温度感测器（DS18B20）驱动、时钟晶片（DS1302）驱动等。第10章：介绍VRS51L3074在LED显示屏控制系统中的套用。此外，为方便读者查询资料，在附录中添加了常用指令表、晶片引脚图、功能表、简明LED维修表等实用资料。本书的编写宗旨是：以增强型51单片机为平台，结合当前比较流行的LED控制卡设计，通过软体算法最佳化、程式设计最佳化和硬体配合的方式，通过实例设计，向读者展示单片机的优势和特点，也从另一个方面说明，硬体设计最重要的是一种思想和理念，即：器件的选择并不是唯一决定硬体设计思路的因素。本书中所有原始码和电路图均通过实际套用验证，并已经有部分长期在科研项目中使用，如果读者在验证过程中有疑问，欢迎来电或通过电子邮件的方式联繫。本书由西南交通大学峨眉校区计算机与通信工程系的部分教师编写。靳桅编写第5、6、7、10章，邬芝权编写第1、8、9章，李骐编写第2、4章和附录，刘全编写第3章。还有赵煜、杨莉、肖波、杨德友、朱云芳、张占军、陈诗伟、王飞、白海峰、翟旭、江桦等承担了本书部分章节资料整理工作，全书由靳桅统稿、主编。本书编写过程中，得到了北京航空航天大学出版社的大力支持和关心，西南交通大学各级领导的帮助，以及许多专家的指导，特别是铁电公司西南区销售经理李丹同志、北天星公司和南安市佳彩光电电子有限公司在资料收集、整理上的鼎力支持，在此一併表示感谢！由于作者水平有限，时间仓促，书中难免有错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。