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基于STM32 LED书写点阵屏设计与实现
近年来, 随着信息产业的高速发展, 点阵LED 显示屏已广泛应用于金融行业、 邮电行业、 体育馆、 广告业等各种广告发布和信息显示系统, 成为信息传送的重要手段。本文介绍的LED 书写点阵屏, 不但能够像普通显示屏一样作为信息输出设备, 而且能够经过光笔直接在LED 显示屏上进行信息输入, 普通的显示屏也具有”手写”的功能了。
　　1 硬件系统设计
　　本系统总体框图如图1 所示, 由键盘与显示模块、 光笔模块、 LED 点阵屏模块、 STM32 控制模块、 电源模块五部分组成。

图1 总体方案方框图
　　1. 1 核心控制模块
　　本系统以STM32F103VCT6 为控制核心。
　　STM32 是32 位微处理器, 具有低功耗, 中断延迟小, 高性能等特点。STM32 处理器采用了指令预测和流水线技术, 它的取指、 译码和执行是同时进行的, 分支预测给流水线提供连续的指令流, 流水线能够不断地执行有效指令, 因此STM32 的速度比8051 快得多; STM32 处理器内部集成锁相环可实现最大72MHZ 的工作频率, 为实现高速的系统响应( 高速的扫描) 提供了基础; 其内置的两个看门狗定时器( 独立看门狗和窗口看门狗) 使系统更加稳定［1］.STM32F103VCT6 有1 个12 位的us 级的A /D 转换器, 9 个定时器, 2 个I2C 接口, 5个UART 接口, 3 个SPI 接口, 为以后的扩展提供了条件。
　　1. 2 光笔电路设计
　　人眼能分辨刷屏次数为24 次, 根据经验本系统点阵屏的刷屏速度采用每秒70 次的经验刷屏次数, 即70Hz, 故要求光笔的反应速度大于70Hz.扫描方式是每一时刻只有一个点点亮, 而且这个亮点朝一个方向移动, 这时主控扫描的速度是1M.使用的点阵屏为32 ×32.当每秒刷屏次数超过24 次时才看不出点阵屏闪烁, 在本系统中每秒刷屏68 次, 因此光电器件所要达到的频率最小为68Hz, 光电三极管( 3DU33) 灵敏度高, 响应时间短, 光敏三极管输出的脉冲经过74HC14 整形输出。光笔电路图如图2 所示:

图2 光笔原理示意图
1. 3 LED 点阵屏模块
　　32 × 32 LED 点阵屏电路原理框图如图3 所示。
　　STM32 主控器I /0 口作为点阵屏模块的输入控制信号, 其中OE 为使能端, CLK 为时钟线, LT 为锁存信号, DA 为数据线, A、 B、 C、 D 为行选通地址线［2］。电路中74HC245 起总线缓冲作用, 2 片74HC138 构成4 - 16 译码器, 实现16 路的行选通, 选通信号经由4953MOS 管激励为行驱动, 行驱动为H1 ~ H16, 每一行驱动负责32 × 32 点阵两行的选通( 如H1 控制第1 行和第17 行, H2 控制第2 行和第18 行) 。串行数据由74HC245 缓冲后, 送入级联的74HC595 串并转换和驱动, 电路中共设计有8 片74HC595, 其中4 片用于第1 行~ 第16 行的列数据转换, 另外4 片用于第17 行~ 第32 行的列数据转换。

图3 LED 点阵屏电路原理框图
　　2 软件系统设计
　　STM32 系列微控制器采用C 语言进行程序设计, 开发调试环境为Keil MDK.主程序流程图如图4 所示。

图4 主程序流程图
　　当系统上电后, LCD 与LED 点阵屏分别显示各自的开机界面。与此同时, STM32 对键盘进行扫描。
　　任何状态, 按下”背光”键就可打开或关闭液晶的背光灯, 此功能使得该点阵屏在夜间也能够随意使用, 白天能够将背光手动关闭, 减小功耗, 节约能源。
　　当”设定”键按下后, 进入功能选择显示界面。
　　此时按上下键可进行功能选择。依次进入点亮、 划亮、 反显、 整屏擦除、 笔画擦除、 连写多字、 对象拖移、 设定休眠时间、 调节亮度等功能。指示图标在哪种功能前闪动, 代表该功能被选中, 点阵屏即可在系统控制下执行相应功能。在任何一种功能下, 按下”确定”键即可显示光笔位置的坐标。此功能在各项功能下均可跟随光笔坐标, 以便快速确定光笔所在位置。
　　在连写多字功能中, 每写好一个字后, 按下自定义的”1”键将写好的字存储至相应的数据缓冲区, 四个字写完后, 用光笔靠近点阵屏给STM32 一个信号即可将已存储的四个字逐个轮流显出。为方便书写, 加快书写速度, 字体存储后, 当光笔靠近点阵屏时, 给予自动清屏。在对象拖移功能中, 先圈定对象, 用光笔在对象上选定坐标参考点进行拖动, 判断光笔当前坐标与参考点坐标的关系, 对圈定对象对应的RAM 区数据进行相应的操作［4］, 之后更新参考点坐标值, 重复上述指令, 直至对象拖移结束。
　　在调节亮度功能下, 点阵屏可根据环境自动改变亮度。操作人员也可根据需要手动调节, 并保持该亮度［4］。
3 测试方案与测量结果
　　3. 1 测量设备
　　主要的测量设备有直流稳压源YB1730、 数字式万用表( FLUKE 15B) 、 万用表SJ47100MHz 和双通道示波器( TeKtronix TDS B) 。测量单位是秒表, 精度0. 01s。
　　3. 2 实际测量结果
　　3. 2. 1 点亮、 擦除
　　”点亮”模式如表1 所示。
表1 ”点亮”模式

　　结果显示: 点亮点准确, 坐标显示准确。
　　”擦除”模式如表2 所示。
表2 ”擦除”模式

　　3. 2. 2 屏亮调节
　　屏亮调节测试如表3 所示。
表3 屏亮调节测试

　　4 结束语
　　本系统以STM32F103VCT6 作为控制核心, 用74HC245、 74HC595、 74HC138、 74HC04 与4953 驱动32 × 32LED 点阵屏, 用光笔来检测LED 点阵屏的扫描从而确定相应点的坐标, 用触摸屏切换各个功能并显示当前的坐标和功能模式。经过功能测试表明本系统的硬件稳定, 功能完善, 采用C 语言编程实现了点亮、 划亮、 反显、 整屏擦除、 笔画擦除、 连写多字、 对象拖移、 显示屏亮度的自动调节以及超时自动关屏等基本功能和发挥功能, 还实现了”画圆”和”填充”创新功能。本系统以低廉的成本和逻辑性极强的程序实现LED 显示屏的”手写”功能, 其功能还有很强的可扩展性, 具有广泛的应用前景。