基于STM32LED书写点阵屏设计与实现

简介：本文介绍了一种利用ARM 系列主流32 位微处理器STM32 作为控制核心的LED 书写点阵屏设计。系统包括主控模块、光笔模块、键盘模块、显示模块、电源模块和32 × 32LED 点阵屏等。系统通过键盘进行功能切换，用光电三极管作为光笔的感应器件，从而实现LED 点阵屏"点亮、划亮、反显、整屏擦除、笔画擦除、连写多字、对象拖移、亮度自动调节、超时休眠"等功能。

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，不但可以像普通显示屏一样作为信息输出设备，而且可以通过光笔直接在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，流水线可以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，并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，所以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可以随意使用，白天可以将背光手动关闭，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 TDS2012B） .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。