LED电子显示屏的数据存储和处理

摘要：采用发光二极管(LED)点阵模块构成的电子显示屏已经越来越广泛地应用于生产、生活、公共场所等各个方面。用于小型公示场所的电子显示屏是规模最小的一种。设计这类电子显示屏的原则是，在满足显示要求的前提下，尽量节省投入，缩短开发周期，以降低成本。而正确选择、设计异步式LED电子显示屏的数据存储和处理方案，是设计这类电子显示屏的关键。
关键词：LED；数据存储器；读／写速度

引言
    采用发光二极管(LED)点阵模块构成的电子显示屏已经越来越广泛地应用于生产、生活、公共场所等各个方面。其规模和复杂程度各有所异，投入成本也差别很大。按照微处理器工作原理，可将电子显示屏分为两大类：同步型和异步型。前者的微处理器就是一台电脑，显示屏在电脑支持下工作。其优点是规模大、显示花样多，可用于彩色显示。很显然，其缺点是成本高、体积大，须专业人员操作。异步型电子显示屏的微处理器一般采用单片机(MCU)，显示内容由电脑通过通信方式发送到单片机系统的数据存储器，显示控制完全由单片机完成。异步型电子显示屏具有结构简单、维护方便、显示刷新简单、无需专业人员操作、成本低等优点，但对于大规模、彩色、显示花样复杂的动态显示它却无能为力。
    用于小型公示场所(例如公交车的到站提示等)的电子显示屏是规模最小的一种，自然采用异步型系统比较合适。设计这类电子显示屏的原则是，在满足显示要求的前提下，尽量节省投入，缩短开发周期，以降低成本。为此，选择通用型51系列单片机为核心是明智的选择。

1 原理概述
    本电子显示屏的整体硬件结构如图1所示。本系统采用的是共阴极(AS)的LED点阵模块，行、列驱动方法上与一般资料所述不同。由于篇幅限制，本文不作详细论述。

    由图1可以看出，本系统的片外数据存储器(RAM)与MCU通过地址锁存器交换数据。小规模电子显示屏的显示内容一般在几十个到几百个汉字，按一个汉字字模占用32字节计算，故32 KB的数据存储器可存储900个汉字。实际上，由于汉字在动态显示时(例如左移、上移等)，需要进行数据处理，故需在片外数据存储器预留3 KB左右的空间作为数据处理缓冲空间。这是对片外数据存储器的容量要求。
    有时候数据处理量是很大的。例如，一屏32个汉字左移，一次需处理32×32=1024个字节，处理过程有读也有写，因此对片外数据存储器的读／写速度有严格要求。否则，会因为数据处理消耗大量时间而造成闪烁。这是对片外数据存储器读／写速度的要求。
    电子显示屏一次显示的内容通常希望重复显示几天、几个星期甚至几个月才得以更新。为此，片外RAM中汉字字模数据至少要能保存一个更新周期，不能因停电、下班而丢失。因此对片外数据存储器有掉电不丢失数据(即“不挥发”)的要求。

2 存储器选择
2．1 数据存储器性能比较
    开发试验过程中，关注过如表1所列的各种可能用于单片机扩展的片外数据存储器芯片。

    表中所列的前3类都有掉电不丢失数据功能。第一类为光擦除程序存储器，不能在线写入，只能用作只读存储器，显然不适用于本系统。第二类为电擦除程序存储器，在线写入数据不多时，也可以作为不挥发数据存储器使用。它是按页(16字节)写入，页之间须有一定延时。由于本系统要求一次连续写入的数据可能多达1 KB，故写入速度不能满足要求。第三类为闪烁(Flash)存储器，其读／写速度应该很快，但是在写入时也是和第二类一样分块写入。一块为64字节，块之间写入需要一定延时(ms级)，故不能在指定地址连续大量数据，经过试验以后，本系统也摒弃了这类存储器。表中所列最后两类都属于静态数据存储器，读／写速度都很快，其引脚完全和单片机爱好者所熟悉的6264(8KB)兼容，只要增加两条地址线即可。HKl235-7实际上是62256加上保持数据的电池组成的模块。广告宣传数据可以保持10年不丢失，实际上，我们在以前的课题中使用发现数据不能保持这么长时间，而且价格昂贵，是62256的10倍!无论开发试验或者产品生产都不宜选择HK1235-7模块。
2．2 对62256的评价
    表中所列的62256属于51系列单片机典型的片外数据存储器，一片62256的容量为32 KB，完全可以满足小规模显示系统的要求。若用户嫌容量不够还可以扩展第二片、第三片。62256的读／写速度与单片机匹配，可以达到最快。而且，可以对任意指定地址进行单个字节或者连续写入，一次写入的字节数没有限制。和其他RAM芯片一样，其缺点是掉电不能保持数据。在试验中，我们另辟蹊径解决了这一问题。

3 实现方法和效果
3．1 实现62256数据不挥发的方法
    参照HK1235-7模块的方法，在靠近62256的电路板上增加了一颗专用于保持数据的电池，如图2所示。图中二极管有两方面作用：一是在电源停电时，防止锂电池对其他元件放电，缩短保持数据时间；二是在电源对锂电池充电时，对电源电压进行钳位。因为锂电池最高电压为4．2 V左右，电源电压为5 V，二极管正向饱和压降为0．7 V左右，故可防止锂电池的过充电。

3．2 调试中遇到的问题
3．2．1 二极管选型问题
    开始试验时，选用检波二极管4148作为钳位二极管，使用不到一个星期发现被击穿短路，无法保持数据。后来改用整流二极管1N4007，长期使用，未发现击穿问题。可能是在锂电池充电电流比较大，特别是当锂电池刚充电时，本身电压比较低，充电电流最大，故检波二极管容易损坏。
3．2．2 片外数据存储器读／写技巧
    刚开始调试显示程序的时候，为了节省时间，没有使用串口通信向62256注入汉字编码(汉字字模)，而是将程序存储器(ROM)的汉字字模传送给62256。
    这样的传送过程必须有两个地址指针才能完成，AT89S52正好满足了这一要求。例如，将ROM中512字节的字模传送给62256，程序流程如图3所示。

    以下为此段子程序对应的代码全文。
           
   
    由上述程序清单可以看出，AT89S52并没有实际独立的两个地址指针，而是通过修改特殊功能寄存器OA2H中的数据(0或者1)使一个地址指针指向两个不同的16位地址，就像操作两个地址指针一样。
    程序清单中第一条指令对于读／写片外数据存储器是必要的。如果不对P2口初始化，可能出现读／写错误，这一点是经过反复试验得出的结论。
3．3 使用效果
    LED电子显示屏的片外数据存储器的扩展方案经调试后试运行半年，工作正常。读／写速度完全和MCU匹配，数据保持时间为2天到1星期(视锂电池充电容量而定)。这一数据保持周期完全能满足实际使用需要。

4 结论
    ①用于LED电子显示屏的片外数据存储器的芯片不但要满足存储容量要求，更加重要的是要满足读／写速度要求，还要能在一定周期内保持数据不丢失。
    ②试验证明，采用62256加保持数据电池是最佳方案。此方案已经试运行半年，完全符合使用要求，其成本也是最低的。