STM32F103ZET6芯片在LED顯示屏控制應用中的探索

劉志龍　吳昊

摘 要：近十年來，以LED（light emiting diode，發(fā)光二極管）點陣器件而組成的顯示屏作為一種新的信息顯示載體，得到了社會生活中的廣泛的應用。其高亮度、耐沖擊且壽命長等多種優(yōu)點，被廣泛應用于航天指揮大廳、奧運會體育賽事、交通信號指示等諸多領域。LED點陣屏的核心技術主要集中在控制器系統(tǒng)上。目前，大部分異步LED顯示屏采用的是8位STC89C51單片機控制，由于受到單片機的處理速度、體系結構、存儲空間、接口資源等諸多限制，在要求顯示較多像素、動態(tài)顯示效果豐富的情況下已難以達到預期顯示效果。針對以上情況，筆者研究開發(fā)了一種全新的，由32位高性能STM32F103ZET6微處理器為核心的LED顯示屏控制系統(tǒng)設計方案，該方案以ARMCortex-M3內(nèi)核芯片STM32F103ZET6作為主控芯片，以可編程邏輯器件M4A5-128/64完成數(shù)據(jù)的刷新，不但能實現(xiàn)傳統(tǒng)的串口通信，還能實現(xiàn)以太網(wǎng)及在布線有難度的情況先實現(xiàn)USB口進行數(shù)據(jù)更新。

關鍵詞：LED顯示屏；STM32F103ZET6；以太網(wǎng)；USB

1 LED顯示屏控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

LED顯示屏具有發(fā)光亮度高，視角寬，驅(qū)動電壓低等優(yōu)點，自上世紀80年代問世以來便引起了人們的廣泛關注，并逐步發(fā)展成為一個朝陽的產(chǎn)業(yè)。LED顯示屏控制技術也隨之發(fā)展起來，并隨著IC技術的進步幾經(jīng)更新。這期間主要經(jīng)歷了兩個階段，第一階段是基于單片機MCS51為代表的LED顯示屏控制系統(tǒng)。第二階段是基于ARM+CPLD的LED顯示屏控制系統(tǒng)。這兩鐘方式的控制系統(tǒng)的外圍接口電路組成差別不大。但是，當LED顯示屏控制像素點超過1024X128容量時，特別是對于顯示，如飛入、飄雪等特殊效果時，要求MCU運算速度快、代碼執(zhí)行效率高，51系列單片機硬件資源的有限性漸漸不能適應這種應用場合。STM32系列微處理器是32位機，各種硬件資源相當豐富，因此在工程實踐應用中逐漸有取代51系列單片的趨勢。基于此，在分析了STM32微處理器總線結構特點的基礎上，提出了STM32+CPLD的控制系統(tǒng)方案，該方案充分了利用STM32微處理器的靈活的儲器控制技術和可編程邏輯器件的靈活性，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的速度，使電路結構簡化，易于實現(xiàn)復雜的運算。

2 STM32F103ZET6微處理器簡介

STM32F103ZET6 是32 位微處理器，如圖1所示，STM32F10

3ZET6 處理器采用了指令預測和流水線技術，它的取指、譯碼和執(zhí)行是同時進行的，因此STM32F103ZET6 的運算速度比8051 快得多； STM32F103ZET6 處理器內(nèi)部集成鎖相環(huán)可實現(xiàn)最大72MHZ 的工作頻率，本設計方案中采用的STM32F103ZET6芯片是意法半導體公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的RISC微處理器，其主頻可達到72MHz，STM32F103ZET6采用LQFP144封裝，片內(nèi)硬件資源豐富，具有低價格、低功耗、高性能的小型微控制器，滿足LED顯示屏控制的要求。

兩種LED顯示屏控制系統(tǒng)設計解決方案的比較：

一般來說，對于小屏幕的LED顯示屏的控制都是采用MCS51系列單片機作為主控芯片。MCS51系列單片機典型芯片包括8031、8051、8751、89C51等，除了ROM容量不同外，他們的引腳及內(nèi)部結構完全相同。通常的解決方案是這樣：如圖2所示

3 該解決方案的控制流程如下

首先由MCS51單片機發(fā)出要在LED顯示屏上顯示的文字數(shù)據(jù)信息以及相應的控制信息存儲到RAM中，再由51單片機根據(jù)文字數(shù)據(jù)信息查找ROM中的漢字庫并一同由51單片機產(chǎn)生掃描控制信號通過單片機P2并行口驅(qū)動LED顯示屏，P1口通過74HC373地址鎖存器與RAM和ROM地址總線相連，用于對顯示數(shù)據(jù)的讀寫操作。ROM主要用于存放漢字字庫和程序。單片機P2總線驅(qū)動器產(chǎn)生兩路LED顯示屏驅(qū)動信號，一路傳給行譯碼74HC154，一路控制信號SCK、RCK、EN傳到列驅(qū)動器HC595，其原理是將數(shù)據(jù)打入HC595鎖存器中，行掃描控制采用譯碼器的是74HC154來控制，74HC154由A、B、C、D譯成16根掃描線，構成1/16掃描控制電路。控制信號A、B、C、D經(jīng)譯碼后選中需要點亮的行，當行、列驅(qū)動信號分別加載到LED點陣上時，就可將要顯示的信息在LED屏上顯示出來。該方案的優(yōu)點主要有：電路結構簡單，設計成本低廉。缺點主要有：硬件資源有限，晶振只能接12MHZ，掃描頻低，只能帶載小面積的顯示屏。

對于超大面積的LED顯示屏幕的顯示，由于要求顯示的像素多，通信距離遠的情況下以采用低端單片機用移位寄存器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換的方法遠不能滿足設計要求。目前采用的控制方案是基于STM32微處理器的控制和CPLD可編程邏輯器件組合驅(qū)動的模式。這種方式的控制系統(tǒng)能很好的滿足設計要求，如圖3所示。

4 該方案的基本原理如下

該系統(tǒng)主要由五部分組成：PC機、通信模塊、ARM主控芯片、CPLD可編程器件和LED顯示屏構成，PC機在控制中作為上位機，采用新一代的32bitRISC處理器STM32作為主控芯片，采用FLASH作為存儲器，由CPLD完成對LED顯示屏的高速掃描刷新。系統(tǒng)工作時，利用上位機編輯顯示信息，通過RJ45接口、串口、或者USB接口將顯示信息傳輸給微處理器，微處理器接收數(shù)據(jù)信息后寫入FLASH存儲器。在顯示時，微處理器讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，通過總線將數(shù)據(jù)并行發(fā)送給CPLD，CPLD處理后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示屏顯示。掃描驅(qū)動電路是整個控制系統(tǒng)的關鍵部分，系統(tǒng)中它由一塊CPLD和兩片RAM組成，其結構如圖3所示，主要完成數(shù)據(jù)讀取、顯示屏數(shù)據(jù)RD、移位時鐘SCK、鎖存時鐘RCK的產(chǎn)生及行選信號A、B、C、D的產(chǎn)生。

5 該方案的優(yōu)點有

用CPLD可編程邏輯器件來完成電路功能，不僅能夠滿足LED大屏幕高刷新率的要求，而且使掃描控制電路設計更加簡潔，設計中可以隨時根據(jù)實際需要的功能來修改相應VHDL程序，而不用更改硬件電路，縮短了設計周期，降低了成本。同時采用基于ARM核的STM32微處理器，解決了系統(tǒng)的運行速度、尋址能力和功耗等問題，使大分辨率的LED顯示屏的驅(qū)動成為可能。該系統(tǒng)不僅能顯示文字信息，而且也能完美支持視頻的顯示。但是缺點如下：系統(tǒng)設計比較復雜，特別是底層硬件驅(qū)動比較復雜。編程規(guī)模大，調(diào)試難度大。本方案現(xiàn)在LED顯示屏系統(tǒng)應用實踐的效果良好，已經(jīng)取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

6 結束語

隨著ARM芯片的普及和制造成本的下降，在未來STM32微處理器一定會在嵌入式電子顯示技術應用領域中占有一席之地。

作者簡介：劉志龍（1975-），黑龍江省電子技術研究所，工程碩士，副高，研究方向：嵌入式系統(tǒng)在LED顯示屏控制系統(tǒng)中的應用。

吳昊（1988-），黑龍江省電子技術研究所，本科，助工。endprint