基于51系列單片機的LED顯示屏開發(fā)技術(shù)

前言

我國開始使用單片機是在1982年，20世紀(jì)90年代中期單片機技術(shù)和市場發(fā)展非常迅速。近年來，單片機已經(jīng)成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類社會生活的得力助手。它的廣泛應(yīng)用，不僅僅體現(xiàn)在工業(yè)控制、機電應(yīng)用、智能儀表、實時控制、航空航天、尖端武器等行業(yè)和領(lǐng)域的智能化、高精度化，而且在人類日常生活中也隨處可見它的身影。洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用電器配上單片機后，不僅提高了智能化程度，增強了功能，也使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。20世紀(jì)90年代后，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計由以嵌入式微處理器為核心的“集成電路”級設(shè)計，逐漸轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級設(shè)計，在MCU（Micro Controller Unit）提出了系統(tǒng)芯片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，它們?yōu)楦咝阅芮度胧较到y(tǒng)開發(fā)提供了功能豐富的硬件平臺，也為實時嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這些高性能微處理器的推廣應(yīng)用是否就意味著單片機即將退出嵌入式微處理器的舞臺呢？目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，其趨勢將進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展，其功能也將越來越豐富，速度也越來越快，甚至有些方面并不遜于ARM或DSP。還有最為重要的是生產(chǎn)成本問題，普通ARM或DSP的價格是一般單片機的幾倍甚至數(shù)10倍，因此在大批量工業(yè)生產(chǎn)時，這也成為了廠商選擇的重要因素。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，我國的單片機年容量已達1億~~3億片，且每年以大約16%的速度增長，所以綜合單片機技術(shù)和市場需求等多方面情況來看，它仍然有自己廣闊的應(yīng)用前景。例如，本書所講的鐵電單片機——VRS51L3074，它內(nèi)部自帶精確的40 MHz振蕩器，擁有ISP、IAP功能的JTAG及FPI等眾多外圍接口，32 KB外部數(shù)據(jù)總線訪問接口等等，具有許多普通51單片機所無法比擬的功能。與PIC高端單片機18系列比較，它在定時/計數(shù)器、PWC、PWM等方面都有較大優(yōu)勢，甚至和ARM7相比較很多技術(shù)指標(biāo)也是不分伯仲，例如鐵電的32位滾桶計數(shù)器、16位乘除法和32位加法運算單元、鐵電存儲器等。而且鐵電公司預(yù)計在2008年底還將推出100 MHz鐵電單片機，所以就目前單片機技術(shù)來看，其發(fā)展步伐沒有減緩，反而在大幅度推進，原因不僅僅在于電子制造工藝的提高和電子科技的發(fā)展，最重要的還是因為市場對于它的大量需求。隨著LED顯示屏在廣告?zhèn)髅筋I(lǐng)域逐漸嶄露頭角，其控制系統(tǒng)也如雨后春筍，層出不窮。由于它的控制系統(tǒng)均是基于嵌入式微處理器開發(fā)，所以單片機在其中也占有一席之地。但是，由于LED顯示屏控制較復(fù)雜，特別是對于顯示特殊效果，如循環(huán)移動、覆蓋、霓虹燈效果，要求處理器運算速度快、執(zhí)行效率高，所以很多控制卡生產(chǎn)廠家采用高端嵌入式系統(tǒng)進行設(shè)計。這樣做雖然能在一定程度上提高數(shù)據(jù)處理速度，但是并不能完全滿足所有顯示效果要求，而且開發(fā)和產(chǎn)品成本也會隨之成倍增加，甚至由于其設(shè)計不當(dāng)可能在顯示時出現(xiàn)抖動、閃爍、重影等現(xiàn)象。歸根結(jié)底，LED顯示屏控制卡的設(shè)計中硬件是一方面因素，同時還要考慮到顯示數(shù)據(jù)組織方式，通過軟硬結(jié)合的方法才能設(shè)計出一款性價比較高的控制卡。本書就如何高效率組織LED顯示屏數(shù)據(jù)做了深度剖析，從顯示基本原理到實際應(yīng)用實現(xiàn)，都有詳盡分析，并且在此基礎(chǔ)上提出基于普通51系列單片機實現(xiàn)LED顯示屏控制的原理及方法。通過單片機在LED顯示屏控制卡中的應(yīng)用，同時也印證MCU和SoC是嵌入式系統(tǒng)當(dāng)今發(fā)展的兩大分支，它們之間相互滲透、交叉，在硬件系統(tǒng)設(shè)計選擇時，應(yīng)根據(jù)實際需要，綜合考慮開發(fā)、生產(chǎn)成本和技術(shù)難度等多方面因素。本書共10章，每章內(nèi)容概括如下：第1章： 簡要介紹51單片機結(jié)構(gòu)體系和主要功能部件，以及指令系統(tǒng)和匯編語言設(shè)計的要點。第2章： 分析當(dāng)前比較流行的C51編程要點、技巧，并列舉常用實例輔助說明。第3章： 詳細講解鐵電單片機——VRS51L3074，對其功能部件進行深度探討和解析，彌補這一新器件中文資料不足的缺陷。第4章： 以市面上普遍使用的雙基色單元板為平臺，分析LED單元板驅(qū)動方式，并對LED顯示屏亮度和灰度控制深入探討、總結(jié)。第5章： 通過對LED顯示屏數(shù)據(jù)組織方式的討論，歸納總結(jié)出靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示的規(guī)律，以及對應(yīng)顯示效果和存儲器大小之間的關(guān)系。第6章： 基于第5章中所提出的算法，以51系列單片機為例，通過具體應(yīng)用實例說明該算法的可行性，并詳細介紹如何利用單片機SPI接口驅(qū)動LED顯示屏的方法。第7章： 采用實例講解如何利用單片機擴展外部地址計數(shù)器驅(qū)動大型LED顯示屏。第8章： 介紹LED顯示屏的系統(tǒng)軟件編程。第9章： 介紹LED顯示屏單片機控制系統(tǒng)編程，包括常用串行口驅(qū)動、溫度傳感器（DS18B20）驅(qū)動、時鐘芯片（DS1302）驅(qū)動等。第10章： 介紹VRS51L3074在LED顯示屏控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外，為方便讀者查詢資料，在附錄中添加了常用指令表、芯片引腳圖、功能表、簡明LED維修表等實用資料。本書的編寫宗旨是：以增強型51單片機為平臺，結(jié)合當(dāng)前比較流行的LED控制卡設(shè)計，通過軟件算法優(yōu)化、程序設(shè)計優(yōu)化和硬件配合的方式，通過實例設(shè)計，向讀者展示單片機的優(yōu)勢和特點，也從另一個方面說明，硬件設(shè)計最重要的是一種思想和理念，即：器件的選擇并不是唯一決定硬件設(shè)計思路的因素。本書中所有源代碼和電路圖均通過實際應(yīng)用驗證，并已經(jīng)有部分長期在科研項目中使用，如果讀者在驗證過程中有疑問，歡迎來電或通過電子郵件的方式聯(lián)系。本書由西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)計算機與通信工程系的部分教師編寫。靳桅編寫第5、6、7、10章，鄔芝權(quán)編寫第1、8、9章，李騏編寫第2、4章和附錄，劉全編寫第3章。還有趙煜、楊莉、肖波、楊德友、朱云芳、張占軍、陳詩偉、王飛、白海峰、翟旭、江樺等承擔(dān)了本書部分章節(jié)資料整理工作，全書由靳桅統(tǒng)稿、主編。本書編寫過程中，得到了北京航空航天大學(xué)出版社的大力支持和關(guān)心，西南交通大學(xué)各級領(lǐng)導(dǎo)的幫助，以及許多專家的指導(dǎo)，特別是鐵電公司西南區(qū)銷售經(jīng)理李丹同志、北天星公司和南安市佳彩光電電子有限公司在資料收集、整理上的鼎力支持，在此一并表示感謝！由于作者水平有限，時間倉促，書中難免有錯誤和不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書以當(dāng)今廣告媒體中較為流行的LED顯示屏控制系統(tǒng)為背景，結(jié)合基于51系列單片機的硬件控制系統(tǒng)，對LED顯示屏的數(shù)據(jù)組織方式和灰度、亮度控制做深度剖析，詳細地講解了如何利用LED單元板驅(qū)動控制方式高效率地排列存儲器中的數(shù)據(jù)。本書提供了一些經(jīng)過實際應(yīng)用項目驗證的完整開發(fā)實例，供讀者參考。在簡要講述普通51單片機和C51編程的基礎(chǔ)上，本書還對具有40MHz工作頻率、單指令周期的增強型51單片機——VRS51L3074及其在LED顯示屏控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做了詳細介紹。本書是國內(nèi)第一本針對鐵電單片機的書籍，為初學(xué)鐵電單片機或是希望了解該單片機的讀者提供了較為全面的資料和開發(fā)例程。此外還對通用LED顯示屏上位機控制軟件設(shè)計、LED顯示屏控制系統(tǒng)常用時鐘芯片DA1302、溫度傳感器DC18B20等模塊控制程序和硬件電路進行分析和講解。這些內(nèi)容是作者近幾年來部分開發(fā)工作的實踐總結(jié)，有些是根據(jù)實際生產(chǎn)產(chǎn)品的提煉和推廣。    本書內(nèi)容豐富實用，圖文并茂，適用于從事單片機開發(fā)和應(yīng)用以及從事LED控制系統(tǒng)的研發(fā)人員和工程技術(shù)人員使用，也可以作為單片機愛好者、鐵電單片機初學(xué)者，以及使用C51編程的研究生、本科生、?？粕厴I(yè)設(shè)計的參考用書。

書籍目錄

第1章　51系列單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述  1.1　51單片機概述    1.1.1　單片機的分類    1.1.2  8051單片機的應(yīng)用    1.1.3  8051單片機的開發(fā)    1.1.4  8051單片機型號的選擇    1.1.5  單片機學(xué)習(xí)的要點  1.2  51單片機基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)    1.2.1  51單片機的結(jié)構(gòu)框圖及引腳    1.2.2  MCS-51系列單片機主要功能部件    1.2.3  典型時鐘電路和復(fù)位電路    1.2.4  8051單片機I／O結(jié)構(gòu)  1.3  51單片機存儲器結(jié)構(gòu)　  1.3.1　程序存儲器　  1.3.2　外部數(shù)據(jù)存儲器　  1.3.3　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間　  1.3.4　MCS-51單片機特殊功能寄存器　  1.3.5　常用特殊功能寄存器  1.4  51單片機的指令系統(tǒng)及匯編語言設(shè)計要點    1.4.1　指令格式    1.4.2　偽指令    1.4.3　尋址方式    1.4.4　指令類型  1.5　匯編程序設(shè)計    1.5.1　三種基本的程序結(jié)構(gòu)    1.5.2　匯編程序設(shè)計的要點  1.6　51單片機主要擴展功能部件    1.6.1　MCS-51單片機定時／計數(shù)器    1.6.2  中斷系統(tǒng)    1.6.3　串行口第2章　C51應(yīng)用基礎(chǔ)  2.1　Keil C51簡介　2.2　C51程序設(shè)計基礎(chǔ)知識  　2.2.1　C語言的特點　  2.2.2　一個簡單的C51例子　  2.2.3　C51的基礎(chǔ)知識　  2.2.4　存儲空間定義　  2.2.5  C51數(shù)據(jù)類型　  2.2.6  C51存儲空間的定義　  2.2.7  C51的常量　  2.2.8  C51常用運算符　  2.2.9  C51表達式　  2.2.10  C51的基本語句　2.3  C51的函數(shù)與數(shù)組　  2.3.1　函數(shù)的定義　  2.3.2　數(shù)組　  2.3.3　結(jié)構(gòu)（struct）　  2.3.4　聯(lián)合（union）　2.4　C51基本應(yīng)用    2.4.1  I／O口字節(jié)操作應(yīng)用    2.4.2  I／O口位操作應(yīng)用    2.4.3　計數(shù)器應(yīng)用    2.4.4　外部中斷應(yīng)用    2.4.5  串行口中斷應(yīng)用    2.4.6　鍵盤顯示程序第3章　鐵電單片機VRS5lI~3074  3.1  VRS51L3074概述    3.1.1　功能說明    3.1.2　引腳說明    3.1.3　指令系統(tǒng)  3.2　VRS51L3074的存儲器結(jié)構(gòu)    3.2.1　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)    3.2.2　特殊功能寄存器區(qū)    3.2.3　外部數(shù)據(jù)存儲器組織    3.2.4　外部數(shù)據(jù)總線訪問    3.2.5　FRAM鐵電存儲器的使用  3.3　VRS51L3074芯片配置    3.3.1　系統(tǒng)時鐘配置    3.3.2　處理器工作模式控制    3.3.3　功能模塊使能控制    3.3.4　功能模塊I／O映射與優(yōu)先級　　……第4章  LED顯示屏工作原理第5章  LED顯示屏顯示數(shù)據(jù)的組織第6章  基于51系列單片機的小型LED顯示屏控制系統(tǒng)第7章  單片機擴展外部地址計數(shù)器驅(qū)動大型LED顯示屏第8章  LED顯示屏的系統(tǒng)軟件編程第9章  LED顯示屏單片機控制系統(tǒng)編程第10章  VRS5lL3074在LED顯示屏控制系統(tǒng)中的應(yīng)用附錄A  ASCII碼表附錄B  MCS-51單片機常用資料附錄C  C51中的關(guān)鍵字和常用函數(shù)附錄D  Keil μVision3中高性能鐵電單片機(VRS51L2XXX／3XXX)的相關(guān)配置簡介附錄E  常用芯片引腳圖附錄F  異步室內(nèi)雙基色LED顯示屏故障排查簡明手冊附錄G  LED雙基色單元板原理圖參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 51系列單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述1.1 51單片機概述21世紀(jì)，以計算機為代表的IT產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，各類計算機的應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研及日常生活等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，成為當(dāng)今世界各國工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。從世界上第一臺電子計算機問世以來，計算機的發(fā)展日新月異，在短短的幾十年間，已由電子管數(shù)字計算機發(fā)展到今天的超大規(guī)模集成電路計算機，運算速度由5 000次每秒提高到今天的上百億次每秒。計算機的發(fā)展一方面向著高速、智能化的超級巨型機方向發(fā)展，另一方面向著微型機方向發(fā)展。作為微型機的一個分支單片機，由于其具有體積小、功耗低這兩個特點，使單片機在工業(yè)控制、智能儀表、通信系統(tǒng)、家用電器、智能玩具以及LED顯示屏控制等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。51系列單片機起源于Intel公司20世紀(jì)80年代初推出的MCS一51系列單片機，MCS-8051是其中最基礎(chǔ)的單片機型號。經(jīng)過近三十年的發(fā)展，現(xiàn)在Philips、Dallas、Siemens、Atmel、華邦、LG和RAMTRON等公司都以MCS一51中的8051內(nèi)核為基本結(jié)構(gòu)，并推出了許多各具特色、用途不同的單片機。習(xí)慣上把這些以8051為內(nèi)核推出的各種型號的兼容型單片機統(tǒng)稱為51系列單片機。1.1.1 單片機的分類單片機可從以下幾方面分類：（1）按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：家電類、工控類、通信類和個人信息終端類等（2）按通用性可分為：通用型和專用型通用型單片機的主要特點是：內(nèi)部資源比較豐富、性能全面、通用性強、可履蓋多種應(yīng)用需求。所謂內(nèi)部資源豐富是指將多種外設(shè)接口集成在芯片內(nèi)部，使得芯片功能得以增強；性能全面、通用性強是指可以應(yīng)用在非常廣泛的領(lǐng)域。通用型單片機的用途很廣泛，外加簡單的接口電路及編制不同的應(yīng)用程序就可實現(xiàn)不同的功能，因而小到家用電器、電子儀器儀表，大到機器設(shè)備和整套生產(chǎn)線都可用單片機來實現(xiàn)自動化控制。本書中LED單元板中的保護電路就是使用了一片8引腳的單片機，而LED顯示屏的控制電路使用了一片64引腳的51單片機。

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