基于8086的LED點(diǎn)陣屏設(shè)計(jì)

1、1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容LED電子顯示屏是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)的微電子、光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展而形成的一種新型信息顯示媒介。它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在短短的十幾年中，迅速成長(zhǎng)為平板顯示的主流產(chǎn)品。由于LED電子顯示屏具有顯示內(nèi)容信息量大，外形美觀大方，操作使用方便靈活，用戶可隨時(shí)任意自行編輯修改顯示內(nèi)容，顯示方式圖文并茂等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、學(xué)校、銀行、郵局、機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭、金融證券市場(chǎng)、文化中心、信息中心休息設(shè)施等公共場(chǎng)所。Proteus是英國(guó)Labcenterelectronics公司開發(fā)的EDA工具

2、軟件。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，也是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus從原理圖布圖、代碼調(diào)試到微處理器與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、8086、HC11、AVR、ARM和MSP430等。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。本課程設(shè)計(jì)在Proteus仿真平臺(tái)上完成了8086控制的32×32LED點(diǎn)陣屏設(shè)計(jì)。2、 設(shè)計(jì)原理及方案本課程設(shè)計(jì)采用基于8086微處理器的接口電路對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行控制。主要涉及到8086 CPU接口電

3、路的設(shè)計(jì)與搭建、點(diǎn)陣屏的組裝、點(diǎn)陣屏與接口電路的連接、點(diǎn)陣屏掃描方案等。2.1 設(shè)計(jì)原理原理部分主要介紹8086 CPU各引腳的功能以便說(shuō)明接口電路的連接原理；點(diǎn)陣屏的基本概念和掃描方法。2.1.1 8086微處理器8086是Intel系列的16位微處理器，芯片上有4萬(wàn)個(gè)晶體管，采用 HMOS工藝制造，用單一的+5V電源，時(shí)鐘頻率MHz10MHz。8086有16根數(shù)據(jù)線和20根地址線，它既能處理16位數(shù)據(jù)，也能處理8位數(shù)據(jù)。可尋址的內(nèi)存空間為1MB。圖1 8086實(shí)物圖（左）8086引腳圖（右）8086有兩種工作模式，分別是最大模式和最小模式。當(dāng)CPU處在不同的工作模式時(shí)，其部分引腳的功能是不

4、同的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須首先確定CPU的工作方式。本設(shè)計(jì)采用最小模式，CPU各引腳功能如下：1) AD15 AD0（addressdatabus）：地址/數(shù)據(jù)總線，雙向，三態(tài)。2) A19/S6A16/S3（address/status）：地址/狀態(tài)信號(hào)，輸出，三態(tài)。3) BHE（低）/S7（bushighenable/status）：允許總線高8位數(shù)據(jù)傳送/狀態(tài)信號(hào)，輸出，三態(tài)。4) RD/（read）：讀信號(hào)，輸出，三態(tài)，低電平有效。5) READY（ready）：準(zhǔn)備就緒信號(hào)，輸入，高電平有效。6) INTR（interruptrequest）：可屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào)，輸入，高電平有效。7)

5、TEST/（test）：等待測(cè)試控制信號(hào)，輸入，低電平有效。8) NMI（non-maskableinterrupt）：非屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào)，輸入，高電平有效。9) RESET（reset）：復(fù)位信號(hào)，輸入，高電平有效。10) CLK（clock）：時(shí)鐘信號(hào)，輸入。11) VCC電源輸入引腳。12) GND：接地引腳。13) MN/MX/（minimum/maximum）：最小/最大模式輸入控制信號(hào)。14) IO/M/（memoryI/Oselect）：存儲(chǔ)器、I/O端口選擇控制信號(hào)。15) WR/（write）：寫信號(hào)，輸出，低電平有效。16) INTA/（interruptacknowled

6、ge）：可屏蔽中斷響應(yīng)信號(hào)，輸出，低電平有效。17) ALE（addresslockenable）：地址鎖存允許信號(hào)，輸出，高電平有效。18) DT/（datatransmitorreceive）：數(shù)據(jù)發(fā)送/接收信號(hào)，輸出，三態(tài)。19) DEN/（dataenable）：數(shù)據(jù)允許控制信號(hào)，輸出，三態(tài)，低電平有效。20) HOLD（busholdrequest）：總線保持請(qǐng)求信號(hào)，輸入，高電平有效。21) HLDA（holdacknowledge）：總線保持響應(yīng)信號(hào)，輸出，高電平有效。2.1.2 點(diǎn)陣屏及其工作原理LED點(diǎn)陣屏通過(guò)LED點(diǎn)陣組成，以紅色或綠色燈珠亮滅來(lái)顯示文字、圖片、動(dòng)畫、視頻等

7、，是各部分組件都模塊化的顯示器件，通常由顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。LED點(diǎn)陣顯示屏制作簡(jiǎn)單，安裝方便，被廣泛應(yīng)用于各種公共場(chǎng)合，如汽車報(bào)站器、廣告屏以及公告牌等。圖2 8×8點(diǎn)陣塊下面詳細(xì)介紹點(diǎn)陣屏的工作原理。以簡(jiǎn)單的8×8點(diǎn)陣為例（圖3 右），它共由64個(gè)發(fā)光二極管組成，且每個(gè)發(fā)光二極管是放置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，當(dāng)對(duì)應(yīng)的某一行置1電平，某一列置0電平，則相應(yīng)的二極管就亮；如要將第一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)亮，則9腳接高電平13腳接低電平，則第一個(gè)點(diǎn)就亮了；如果要將第一行點(diǎn)亮，則第9腳要接高電平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）這些引腳接低電平，那么第一行就會(huì)點(diǎn)亮；

8、如要將第一列點(diǎn)亮，則第13腳接低電平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高電平，那么第一列就會(huì)點(diǎn)亮.圖3 不同極性的點(diǎn)陣屏結(jié)構(gòu)圖2.1.3 點(diǎn)陣屏掃描方式LED點(diǎn)陣掃描方式有很多種類，主要有四種掃描方式，分別是逐行式、逐列式、列行式、行列式。各種掃描方式應(yīng)用在不同的場(chǎng)合，逐行式掃描主要是應(yīng)用在行數(shù)較少并且非滾動(dòng)顯示的場(chǎng)合，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是較難實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)顯示漢字，不能合理利用有限的LED點(diǎn)陣屏數(shù)目；逐列式掃描主要應(yīng)用在列數(shù)較少行數(shù)較多的場(chǎng)合，并且顯示的漢字有多個(gè)不受LED點(diǎn)陣屏數(shù)目限制，可以循環(huán)顯示，應(yīng)用在較多的地方，合理地利用了LED點(diǎn)陣的數(shù)目節(jié)約了資源和成本。下面介紹一下逐行式掃

9、描方式的原理。一般我們使用點(diǎn)陣顯示漢字是用的16×16的點(diǎn)陣宋體字庫(kù)，所謂16×16，是每一個(gè)漢字在縱、橫各16點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)顯示的。也就是說(shuō)用四個(gè)8×8點(diǎn)陣組合成一個(gè)16×16的點(diǎn)陣。比如要顯示“你”則相應(yīng)的點(diǎn)要點(diǎn)亮，由于點(diǎn)陣在列線上是低電平有效，而在行線上是高電平有效，所以要顯示“你”xF7，0x7FxF7，0x7F)，而第二行（14腳）送1信號(hào)。依此類推，只要每行數(shù)據(jù)顯示時(shí)間間隔夠短，利用人眼的視覺暫停作用，這樣送16次數(shù)據(jù)掃描完16行后就會(huì)看到一個(gè)“你”字；第二種送數(shù)據(jù)的方法是字模信號(hào)送到行線上再掃描列線也是同樣的道理。同樣以“你”字來(lái)說(shuō)明，16行（

10、9、14、8、12、1、7、2、5）上送（0000000000000000，0x00，0x00）而第一列（13腳）送、“0”。同理掃描第二列。當(dāng)行線上送了16次數(shù)據(jù)而列線掃描了16次后一個(gè)“你”字也就顯示出來(lái)了。圖4 用動(dòng)態(tài)掃描顯示字符的過(guò)程2.2 設(shè)計(jì)方案本課程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)32×32的點(diǎn)陣屏并采用基于8086微處理器的接口電路作為顯示控制單元。因此在此部分將介紹接口電路設(shè)計(jì)的方案以及大點(diǎn)陣屏組成的設(shè)計(jì)。2.2.1 接口電路圖5 I/O譯碼電路原理圖在I/O譯碼電路中，除了核心的8086外，地址的確定就是由4-16譯碼器決定。從圖中可以看出一共有16個(gè)I/O端口，地址是00H、

11、10H、20H、0FH。其余相關(guān)知識(shí)在接口課程和實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)講解得十分詳細(xì)，在此就不在贅述，直接使用即可。2.2.2 點(diǎn)陣屏組成Proteus中只有5×7和8×8等LED點(diǎn)陣，并沒(méi)有32×32的LED點(diǎn)陣，而在實(shí)際應(yīng)用中，要良好地顯示一個(gè)漢字，至少需要16×16的點(diǎn)陣。若是需要顯示簡(jiǎn)單圖形則需要更大的點(diǎn)陣。本課程設(shè)計(jì)使用的是32×32的點(diǎn)陣，所以需要使用8×8的點(diǎn)陣進(jìn)行組合。下面介紹使用8×8點(diǎn)陣構(gòu)建32×32點(diǎn)陣的方法，并構(gòu)建一塊32×32的點(diǎn)陣用于本例的顯示任務(wù)。首先，從Proteus的元件庫(kù)中找到“M

12、ATRIX-8×8-GREEN”元器件，并將16塊點(diǎn)陣放入文檔編輯區(qū)。此時(shí)需要注意每塊點(diǎn)陣的行引腳和列引腳。然后將四塊點(diǎn)陣排成一行形成一個(gè)8×32的點(diǎn)陣塊，如圖6所示圖6 8×32點(diǎn)陣行引腳由于此時(shí)點(diǎn)陣塊的上方引腳是行引腳，因此每塊點(diǎn)陣的引腳編號(hào)均為R0-R7，表示前8行。而下方引腳對(duì)應(yīng)的是列引腳，因此列引腳的范圍是C0-C31。如圖7所示。圖78×32點(diǎn)陣列引腳最后只要將四塊這樣的點(diǎn)陣拼接成32×32的點(diǎn)陣即可。需要注意的是其余三塊這樣的點(diǎn)陣的行引腳編號(hào)分別對(duì)應(yīng)R8-R15、R16-R23、R24-R31。成品如圖8所示。圖8 32×

13、;32點(diǎn)陣屏2.2.3 行掃描電路本課程設(shè)計(jì)中的點(diǎn)陣屏采用逐行掃描的方式。因此一共需要32位的行數(shù)據(jù)來(lái)控制某行是否被點(diǎn)亮。由于8086的寄存器是16位的，不滿足行數(shù)據(jù)的要求。因此最直接的方法就是采用兩片4-16譯碼器擴(kuò)展成一個(gè)5-32譯碼器，這要只需要寄存器中的5位即可。行控制譯碼電路如圖9所示。圖9 行掃描控制電路2.2.3 顯示驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于點(diǎn)陣屏的顯示驅(qū)動(dòng)，通常采用的做法是使用74HC595移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與驅(qū)動(dòng)。這要只要接口電路串行輸出顯示數(shù)據(jù)即可，對(duì)于大點(diǎn)陣屏顯示驅(qū)動(dòng)的軟件設(shè)計(jì)十分方便。但是需要串口的支持。對(duì)于現(xiàn)在的單片機(jī)來(lái)說(shuō)這已經(jīng)不是什么大問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在的單片機(jī)都內(nèi)置了串行通

14、信的芯片。而8086僅僅實(shí)現(xiàn)了中央處理器的功能，并沒(méi)有集成任何輔助芯片。想要實(shí)現(xiàn)串行通信必須外接串口通信芯片8251A。但是由于本設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣屏規(guī)模較小，并不一定需要采用這種方法，我們只需要采用四塊通用的8位寄存器即可將32位數(shù)據(jù)分4次送入點(diǎn)陣屏。具體電路如圖10所示。圖10 顯示驅(qū)動(dòng)電路3 點(diǎn)陣屏有關(guān)軟件設(shè)計(jì)在第二部分已經(jīng)介紹了整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)思路并搭建了完整的點(diǎn)陣屏顯示電路。但是點(diǎn)陣屏要能顯示必須要有數(shù)據(jù)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。點(diǎn)陣屏顯示漢字需要的是字模數(shù)據(jù)，顯示圖形也要求類似字模的數(shù)據(jù)，因?yàn)閷?shí)際上不管是英文字幕還是中文漢字，在顯示的時(shí)候都是圖形。3.1 字模簡(jiǎn)介文字的字模是一組數(shù)字，但它的意義

15、卻與數(shù)字的意義有著根本的變化，它是用數(shù)字的各位信息來(lái)記載英文或漢字的形狀。在電腦硬件中，根本沒(méi)有漢字這個(gè)概念，也沒(méi)有英文的概念，其認(rèn)識(shí)的概念只有內(nèi)碼(將ASCII表的高128個(gè)很少用到的數(shù)值以兩個(gè)為一組來(lái)表示漢字，即漢字的內(nèi)碼。而剩下的低128位則留給英文字符使用，即英文的內(nèi)碼)。如果你用啟動(dòng)盤啟動(dòng)系統(tǒng)后用DIR命令可能得到一串串莫名其妙的字符，但那確確實(shí)實(shí)是漢字，如果你啟動(dòng)UCDOS或其他的漢字系統(tǒng)后，就會(huì)看到那是一個(gè)個(gè)熟悉的漢字。在硬件系統(tǒng)內(nèi)，英文的字模信息一般固化在ROM里，即使在沒(méi)有進(jìn)入系統(tǒng)的CMOS里，也可以讓你看到英文字符。而在DOS下，中文的字模信息一般記錄在漢字庫(kù)文件里(將制作

16、好的字模放到一個(gè)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)中，這就是點(diǎn)陣字庫(kù)文件)。本設(shè)計(jì)中采用已有的取模軟件獲得需要顯示圖形的數(shù)據(jù)，如圖11所示。圖11 漢字取模得到顯示圖形數(shù)據(jù)后只要保存在匯編程序的數(shù)據(jù)段中即可。3.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)ROWSEL EQU 20HCOLSEL1 EQU 40HCOLSEL2 EQU 60HCOLSEL3 EQU 80HCOLSEL4 EQU 0A0Hdata segmenttab1 DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,01H,0C0H,00H,00H,01H,0C0H,00H,00H,01H,0C0H,00H,00H,01H,80H,00H,00H,

17、01H,80H,00H,00H,01H,0FCH,00H DB 00H,3FH,0F8H,00H,00H,1FH,00H,00H,00H,03H,00H,00H,00H,03H,07H,0E0H,00H,03H,0FCH,0F0H,00H,7EH,0E0H,70H,0FH,0D0H,60H,70H,06H,18H,0C0H,60H DB 06H,08H,80H,60H,06H,08H,0F8H,60H,06H,0FH,0C0H,60H,06H,3FH,00H,60H,06H,03H,18H,60H,06H,03H,0FCH,60H,06H,3FH,0C0H,60H,06H,73H,00H,60

18、H DB 06H,03H,00H,60H,06H,03H,00H,60H,06H,03H,03H,0E0H,02H,03H,01H,0E0H,00H,00H,01H,0C0H,00H,00H,00H,80H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;南tab2 DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,0FH,80H,00H,00H,0FFH,0C0H,00H,07H,0E3H,0C0H,07H,01H,07H,00H,03H,80H,4CH,00H DB 01H,0C0H,78H,00H,00

19、H,80H,33H,80H,00H,00H,3FH,0C0H,00H,07H,0F1H,0C0H,00H,06H,31H,80H,01H,02H,3CH,80H,0FH,0C2H,7CH,80H,1FH,82H,0F0H,0C0H DB 01H,02H,30H,0C0H,03H,02H,3EH,0C0H,01H,06H,0FCH,0C0H,01H,86H,30H,0C0H,01H,86H,30H,0C0H,01H,06H,20H,0C0H,01H,86H,27H,0C0H,3FH,0F8H,23H,0C0H DB 18H,1FH,01H,80H,00H,07H,0E0H,00H,00H,00H

20、,0FFH,0FEH,00H,00H,3FH,0F8H,00H,00H,0FH,0C0H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;通tab3 DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,07H,80H,00H,00H,03H,80H,00H,00H,03H,80H,00H,00H,03H,00H,00H,00H,03H,00H,00H DB 00H,03H,00H,00H,00H,03H,00H,00H,00H,03H,00H,00H,00H,03H,07H,80H,00

21、H,03H,0FFH,0C0H,03H,0FFH,0FEH,00H,03H,0FFH,00H,00H,00H,83H,00H,00H DB 00H,03H,00H,00H,00H,07H,00H,00H,00H,06H,80H,00H,00H,06H,0C0H,00H,00H,06H,60H,00H,00H,0CH,30H,00H,00H,0CH,38H,00H,00H,18H,1CH,00H,00H DB 30H,1EH,00H,00H,60H,0FH,80H,00H,0C0H,07H,0E0H,03H,80H,03H,0FCH,04H,00H,01H,0FCH,00H,00H,00H,00

22、H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;大tab4 DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,0CH,00H,00H,00H,07H,00H,00H,43H,0EH,00H,00H,61H,8CH,00H,00H,31H,8CH,00H,00H,38H,98H,00H,00H,10H,10H,00H DB 00H,00H,1FH,0F0H,02H,07H,0FFH,0F8H,03H,0FFH,00H,7CH,07H,00H,00H,0F0H,0EH,00H,0E0H,0C0H,0EH,7FH,0F0H,00H,0CH,78H,70H,00H,08H,0

23、0H,0E0H,00H DB 00H,03H,80H,00H,00H,01H,83H,0C0H,00H,03H,0FFH,0F0H,0FH,0FFH,0E0H,70H,1FH,0F0H,0C0H,00H,00H,00H,0C0H,00H,00H,00H,0C0H,00H,00H,00H,0C0H,00H DB 00H,00H,0C0H,00H,00H,00H,0C0H,00H,00H,00H,0C0H,00H,00H,0FH,0C0H,00H,00H,07H,80H,00H,00H,03H,00H,00H,00H,02H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;學(xué)tab5 DB 00

24、H,00H,00H,00H,00H,1FH,0F8H,00H,00H,7FH,0FEH,00H,01H,0F8H,1FH,80H,03H,0C0H,03H,0C0H,07H,00H,00H,0E0H,0EH,60H,06H,70H,0CH,0F0H,0FH,30H DB 19H,0F8H,1FH,98H,38H,0F0H,0FH,18H,30H,60H,06H,1CH,30H,00H,00H,0CH,70H,00H,00H,0CH,70H,01H,80H,0EH,60H,01H,80H,0EH,60H,01H,80H,0EH DB 60H,01H,80H,0EH,70H,01H,80H,0CH

25、,30H,00H,00H,0CH,30H,00H,00H,0CH,38H,60H,0CH,18H,18H,60H,1CH,18H,1CH,30H,30H,30H,0EH,1FH,0E0H,70H DB 07H,07H,0C0H,0E0H,03H,80H,01H,0C0H,01H,0E0H,07H,80H,00H,0FFH,0FFH,00H,00H,3FH,0FCH,00H,00H,03H,0C0H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H ;圖形data endscode segmentmain proc farassume cs:code,ds:datastar

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