摘要：设计使用宏晶科技的8位单片机STC12C5A60S2作为中央控制器，结合NAND闪存芯片K9F4008存储汉字库的8×128点阵LED数字屏，该点阵LED数字屏具有存储信息后离线显示的功能。可应用到多种显示环境，尤其像汽车等移动工具上的脱机显示环境。
关键词： LED显示; 单片机; NAND Flash存储器; 点阵字库

    自上世纪90年代以来，随着LED显示技术设计制造水平的不断提高，LED数字屏逐渐在生产和生活中大量使用，LED数字屏以其特有的显示介质，在大面积，全天候，高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED显示技术发展的十几年中，新器件和新技术不断采用，制造成本逐渐降低，生产分工不断细化，但大量应用的同时也暴露出LED显示技术的若干缺陷，总体上技术尚未成熟，标准尚未完全建立，有许多方面值得进行更深入的研究与改进。
    随着大规模集成电路的迅猛发展，微处理器的运算、控制能力大大增加，单片计算机已在很多工业及民用系统中承担智能化的任务，与迅猛发展的运算速度相比，其端口扩展能力则逊色得多(数目有限且扩展困难)，因此研发过程中不得不在节省端口上投入大量精力，目前国内为解决端口扩展问题可采用软件处理的方式，这样加重了软件编写的难度，或采用扩展端口的专用芯片。这两种方法将引起软件成本的提高或硬件电路复杂度的提高,不利于一些小型系统的研发，STC12C5A60S2单片机具有多种串行传输模式,在一定程度上解决了这个矛盾。
    LED数字屏应用非常广泛，不仅能显示文字，还能显示各种图形、图表，甚至各种动画效果，是广告宣传、新闻传播的有力工具。
    本文采用STC12C5A60S2单片机、接口NAND 闪存和上位PC机,实现了对16×128点阵LED数字屏的控制。
1 芯片选型
1.1 屏体
    由于屏体是商业成品，因此系统芯片的选型首选为能与屏体配合的芯片。屏体自备电源，能直接将蓄电池的能量转变为5 V的直流电源，并且这个电源也通过屏体的接口电缆输出到系统板上。因此系统可直接引用该电源，不必自备电源电路。
1.2 单片机
    综合考虑屏体和系统需求，选用国内宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机STC12C5A60S2。
    STC12C5A60S2是新一代高速8051单片机，其指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路,其工作电压范围是3.5 V~5.5 V，满足要求的电压。由于是单周期的8051（传统8051是12周期）,可选择较易于获得准确波特率的11.059 2 MHz晶振，而不必担心工作速度降低。
    STC12C5A60S2有60 KB的用户应用程序空间，256 B的RAM和1024 B的XRAM。能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另有与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM使用。
    STC12C5A60S2有双UART以及ISP串口，串口资源足够系统使用。另外通过宏晶科技提供的软件，使用UART可很容易地实现程序下载。STC12C5A60S2有36个通用I/O口，大部分可位控，并具有强推挽输出的能力，足够系统使用。
    STC12C5A60S2有4个16 bit定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个PCA模块，能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S2有PDIP-40封装的芯片，易于快速进入实验。
1.3 闪存
　    因为16×16点阵的汉字库容量在250 KB左右，而MCS51的寻址空间只有64 KB。接口大于64 KB容量的普通存储芯片就必须进行总线扩展，采用两次锁存地址的方法来读写，既需要复杂的电路，又占用较长的存取时间。同样，NOR闪存与EPROM的引脚结构相类似，有同样的接口复杂性，成本也十分高。要实现单片机与字库芯片的简单接口（不需扩展），只能选用串行结构的存储器或命令、地址和数据复用总线结构的存储器。
    串行结构的存储器多为EEPROM，没有很大的容量，不适合做字库芯片。因此只有选用命令、地址和数据复用总线的NAND闪存作为字库存储芯片。
    字库所需的容量不大，但最好能5 V供电，且编程的缓存要求较小的芯片。SAMSUNG公司出品的K9F4008W是一款512 KB的NAND闪存，仅有8个IO端口,且工作电压范围较广(3 V~5.5 V),可以兼容3 V和5 V的硬件系统，并且帧编程时仅需要32 B的缓冲，正适合作为字库存储的芯片。
    因此,闪存芯片的可电擦写特性页非常适用于需要更换字库的场合。故该芯片是十分理想的汉字库存储器。
2 电路设计
    根据系统整体结构设计的电路的原理图如图1所示。

3 总体设计

3.1屏体接口模块
　    屏体接口包括屏体接口头文件、屏幕缓冲区的定义、屏体接口初始化、刷新定时器中断服务程序和SPI中断服务程序几个部分。
　    屏体接口的头文件screen.h应该使屏幕缓冲区对其他应用可见，并提供屏体初始化函数[4]。具体定义如下：
    #ifndef _SCREEN_H_
　　#define _SCREEN_H_
　　#include "inc\board.h"
　　extern u8 xdata SCR_BUF[16][16];
　　void screen_init(void);
　    #endif
    这样就把屏幕缓冲区的结构暴露给应用，但应用不必关心具体的屏幕刷新操作。
    具体屏体接口的实现集中在一个文件screen.c中定义。具体如下：
    首先是屏幕缓冲区定义：
    u8 xdata SCR_BUF[16][16]_at_0x0000;//~0x00ff 256Bytes
    其次是当前显示行和输出列变量定义，属于静态变量，应用程序不可见。
　　static u8 data row,col;
    然后是屏幕初始化，包括刷新定时器0的初始化、SPI的初始化、锁存bLatch信号的初始化、屏幕缓冲区的初始清零以及定时器和SPI中断的优先权和使能位的初始化[3]。代码略。
    SPI和定时器0的中断服务程序是屏体接口的关键。
    定时器0的中断服务程序首先进行扫描行增量取模运算，并将扫描行输出。然后依据扫描行取出屏幕缓冲区对应行的第一个字节发送到SPI端口。同时列增量。
　    void display_one_screen(void)interrupt 1 using 3{
　　    row = (++row)&0x0f;
　　    P0 = (P0 & 0xf0)|((~row)& 0xf);
　　    col = 0;SPDAT = ~SCR_BUF[row][col++];
　　    }
　    这样编写的屏体驱动，应用只要在初始化屏体后，向屏幕缓冲区中写入要显示的数据即可，而不必关心屏幕显示的细节。
3.2 UART接口
    UART接口负责与上位机的数据收发，尽管发送可以同步进行，但接收必须异步进行。因而UART接口的核心仍然应该是一个中断服务程序。
　　UART接口的头文件uart.h隐藏了接收缓冲区的信息，用户可调用的函数只有初始化、发送和接收[1]。
　    #ifndef _UART_H_
　　    #define _UART_H_
　　    void uart_init(void);
　　    void uart_put_c(u8 ch);
　　    u8 uart_get_c(u8 *);
　　    #endif
    UART的接口实现首先定义一个接收缓冲FIFO，以及对FIFO的读下标uart_rd和写下标uart_wr,他们都是文件内可见的静态变量:
　　static u8 xdata uart_buf[64];
　　    static u8 uart_rd,uart_wr;
　　    bit fSend
    UART的初始化包括进行FIFO的初始化和UART格式、波特率、中断的初始化。代码略。
    UART的ISR主要是服务于接收，无条件地将数据装入FIFO，并调整写入指针。
　    static void uart_isr(void)interrupt 4 using 1{
　        if(RI){RI = 0;  
　　        uart_buf[uart_wr++] = SBUF;
　　        uart_wr &= 0x0f;
　　    }
　    }
    提供给用户的发送程序首先检测发送结束标记，如果为0，表示上次发送尚未结束，直接返回错误信息1。否则将要发送的信息发送并清零发送结束标记。这样设计的发送程序，其目的是将发送等待不限制在接口底层，而是给上层一个决定是否等待发送结束的机会。
    u8 uart_put_c(u8 ch){
　        if(!TI)return 1;
　        TI = 0;SBUF = ch;    return 0;
　    }
    同样，接收程序也给上层一个选择等待的机会。接收函数首先判断接收FIFO是否为空，如果为空或输入指针参数错误，则直接返回错误，否则才从FIFO中读取数据并将数据存储到指针指向的地址，然后返回成功。
　    u8 uart_get_c(u8 *ch){
　　        u8 i;
　　        if(!ch)return 1;
　　        if((i = (uart_rd+1)&0x0f) == uart_wr)return 1;
　        uart_rd = i; *ch = uart_buf[i];return 0;
    }
3.3 闪存接口
　    闪存的存取有特殊的时序，闪存的内部结构也和具体应用要求有很大的不同。因此闪存的接口需要仔细设计。
　　K9F4008闪存芯片的存储结构组织如图2[5]所示。

　   K9F4008闪存的存储以块为单位，每个芯片共有128块。每块有32行，每行有4个帧，每帧含有32 B。全部芯片为512 KB。
　　闪存接口提供的闪存初始化函数中就包括对这样情况的处理。初始化函数要从闪存的第一个块中读出一个块映射表，该表下标是逻辑扇区，表内每项存储的是该逻辑扇区对应的物理块编号。初始化函数在必要时对闪存进行读写校验，然后将坏块从表中删除。再寻找新的良好块，将其编号填入到对应逻辑扇区的表项中。这样对应用来说，只见到连续的扇区编号，而不知道扇区究竟对应到那个块[2]。
　　闪存的接口头文件flash.h如下：
　    #ifndef _K9F4008_H_
　    #define _K9F4008_H_
　    void read_log_page(u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf);
　    u8 prog_log_page(u8 sector,u8 page,u8 xdata *buf);
　　    void erase_log_blk(u8 sector);
　　bit flash_init(void);
　    #endif
    实现闪存的接口，首先就是依据说明书的时序定义闪存的基本操作。这里是以宏定义实现基本操作的。
　　#define W_CMD(cmd_)\
　　        bCLE=1; bWE=0; P2=(cmd_); bWE=1; bCLE=0
　　#define W_ADDR(addr1_,addr2_,addr3_)\
　　        bALE=1;    bWE=0;    P2=(addr1_);    bWE=1; \
                bWE=0;    P2=(addr2_);    bWE=1; \
                bWE=0;    P2=(addr3_);    bWE=1; \
　　        bALE=0
　　#define W_DAT(dat_) bWE=0; P2=(dat_); bWE=1
　　#define wait_RB while(!bRB)
　　#define l2p(x_) fat_tbl[(x_)]
3.4 EEPROM
    内部集成的EEPROM是与程序空间分开的，利用ISP/IAP技术可将内部DATAFLASH当EEPROM，擦写次数10万次以上。EEPROM可分为若干个扇区，每个扇区包含512 B。使用时，建议同一次修改的数据放在同一个扇区，不是同一次修改的数据放在不同的扇区，不一定要用满。数据存储器的擦除操作是按扇区进行的。
　   sfr  IAP_DATA = 0xC2;     //Flash data register
　　sfr  IAP_ADDRH = 0xC3;     //Flash address HIGH
　　sfr  IAP_ADDRL = 0xC4;     //Flash address LOW
　　sfr  IAP_CMD = 0xC5;         //Flash command register
　　sfr  IAP_TRIG = 0xC6;         //Flash command trigger
　　sfr  IAP_CONTR = 0xC7;     //Flash control register
    根据使用说明对EEPROM的寄存器进行定义。
参考文献
[1] 石东海.单片机数据通信技术从入门到精通[M]. 西安电子科技大学出版社,2002.
[2] 王标，周新志.嵌入式系统中NAND Flash写平衡的研究[J].微计算机信息,2008,24(5-2):8-9,26.
[3] 黎友盛，周菁菁.大屏幕LED显示屏的高速控制方案 [J]. 单片机与嵌入式系统应用,2007（09）:48-50.
[4] 石长华,周杰.基于Proteus的单片机汉字点阵显示设计与仿真[J].景德镇高专学报,2007,22（04）:1-3.
[5] K9F4008W0A-TCB0[EB/OL]. http:// http://www.samsung.com.
[6] 康志亮，廖国刚.LED点阵显示系统设计[J].云南民族大学学报,2006,15(04):297-301.