STM32F103ZET6芯片在LED显示屏控制应用中的探索

刘志龙　吴昊

摘 要：近十年来，以LED（light emiting diode，发光二极管）点阵器件而组成的显示屏作为一种新的信息显示载体，得到了社会生活中的广泛的应用。其高亮度、耐冲击且寿命长等多种优点，被广泛应用于航天指挥大厅、奥运会体育赛事、交通信号指示等诸多领域。LED点阵屏的核心技术主要集中在控制器系统上。目前，大部分异步LED显示屏采用的是8位STC89C51单片机控制，由于受到单片机的处理速度、体系结构、存储空间、接口资源等诸多限制，在要求显示较多像素、动态显示效果丰富的情况下已难以达到预期显示效果。针对以上情况，笔者研究开发了一种全新的，由32位高性能STM32F103ZET6微处理器为核心的LED显示屏控制系统设计方案，该方案以ARMCortex-M3内核芯片STM32F103ZET6作为主控芯片，以可编程逻辑器件M4A5-128/64完成数据的刷新，不但能实现传统的串口通信，还能实现以太网及在布线有难度的情况先实现USB口进行数据更新。

关键词：LED显示屏；STM32F103ZET6；以太网；USB

1 LED显示屏控制系统的研究现状与发展趋势

LED显示屏具有发光亮度高，视角宽，驱动电压低等优点，自上世纪80年代问世以来便引起了人们的广泛关注，并逐步发展成为一个朝阳的产业。LED显示屏控制技术也随之发展起来，并随着IC技术的进步几经更新。这期间主要经历了两个阶段，第一阶段是基于单片机MCS51为代表的LED显示屏控制系统。第二阶段是基于ARM+CPLD的LED显示屏控制系统。这两钟方式的控制系统的外围接口电路组成差别不大。但是，当LED显示屏控制像素点超过1024X128容量时，特别是对于显示，如飞入、飘雪等特殊效果时，要求MCU运算速度快、代码执行效率高，51系列单片机硬件资源的有限性渐渐不能适应这种应用场合。STM32系列微处理器是32位机，各种硬件资源相当丰富，因此在工程实践应用中逐渐有取代51系列单片的趋势。基于此，在分析了STM32微处理器总线结构特点的基础上，提出了STM32+CPLD的控制系统方案，该方案充分了利用STM32微处理器的灵活的储器控制技术和可编程逻辑器件的灵活性，提高了系统数据处理的速度，使电路结构简化，易于实现复杂的运算。

2 STM32F103ZET6微处理器简介

STM32F103ZET6 是32 位微处理器，如图1所示，STM32F10

3ZET6 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，因此STM32F103ZET6 的运算速度比8051 快得多； STM32F103ZET6 处理器内部集成锁相环可实现最大72MHZ 的工作频率，本设计方案中采用的STM32F103ZET6芯片是意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的RISC微处理器，其主频可达到72MHz，STM32F103ZET6采用LQFP144封装，片内硬件资源丰富，具有低价格、低功耗、高性能的小型微控制器，满足LED显示屏控制的要求。

两种LED显示屏控制系统设计解决方案的比较：

一般来说，对于小屏幕的LED显示屏的控制都是采用MCS51系列单片机作为主控芯片。MCS51系列单片机典型芯片包括8031、8051、8751、89C51等，除了ROM容量不同外，他们的引脚及内部结构完全相同。通常的解决方案是这样：如图2所示

3 该解决方案的控制流程如下

首先由MCS51单片机发出要在LED显示屏上显示的文字数据信息以及相应的控制信息存储到RAM中，再由51单片机根据文字数据信息查找ROM中的汉字库并一同由51单片机产生扫描控制信号通过单片机P2并行口驱动LED显示屏，P1口通过74HC373地址锁存器与RAM和ROM地址总线相连，用于对显示数据的读写操作。ROM主要用于存放汉字字库和程序。单片机P2总线驱动器产生两路LED显示屏驱动信号，一路传给行译码74HC154，一路控制信号SCK、RCK、EN传到列驱动器HC595，其原理是将数据打入HC595锁存器中，行扫描控制采用译码器的是74HC154来控制，74HC154由A、B、C、D译成16根扫描线，构成1/16扫描控制电路。控制信号A、B、C、D经译码后选中需要点亮的行，当行、列驱动信号分别加载到LED点阵上时，就可将要显示的信息在LED屏上显示出来。该方案的优点主要有：电路结构简单，设计成本低廉。缺点主要有：硬件资源有限，晶振只能接12MHZ，扫描频低，只能带载小面积的显示屏。

对于超大面积的LED显示屏幕的显示，由于要求显示的像素多，通信距离远的情况下以采用低端单片机用移位寄存器来实现数据的串并转换的方法远不能满足设计要求。目前采用的控制方案是基于STM32微处理器的控制和CPLD可编程逻辑器件组合驱动的模式。这种方式的控制系统能很好的满足设计要求，如图3所示。

4 该方案的基本原理如下

该系统主要由五部分组成：PC机、通信模块、ARM主控芯片、CPLD可编程器件和LED显示屏构成，PC机在控制中作为上位机，采用新一代的32bitRISC处理器STM32作为主控芯片，采用FLASH作为存储器，由CPLD完成对LED显示屏的高速扫描刷新。系统工作时，利用上位机编辑显示信息，通过RJ45接口、串口、或者USB接口将显示信息传输给微处理器，微处理器接收数据信息后写入FLASH存储器。在显示时，微处理器读取FLASH中的数据，通过总线将数据并行发送给CPLD，CPLD处理后将数据传输到LED显示屏显示。扫描驱动电路是整个控制系统的关键部分，系统中它由一块CPLD和两片RAM组成，其结构如图3所示，主要完成数据读取、显示屏数据RD、移位时钟SCK、锁存时钟RCK的产生及行选信号A、B、C、D的产生。

5 该方案的优点有

用CPLD可编程逻辑器件来完成电路功能，不仅能够满足LED大屏幕高刷新率的要求，而且使扫描控制电路设计更加简洁，设计中可以随时根据实际需要的功能来修改相应VHDL程序，而不用更改硬件电路，缩短了设计周期，降低了成本。同时采用基于ARM核的STM32微处理器，解决了系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题，使大分辨率的LED显示屏的驱动成为可能。该系统不仅能显示文字信息，而且也能完美支持视频的显示。但是缺点如下：系统设计比较复杂，特别是底层硬件驱动比较复杂。编程规模大，调试难度大。本方案现在LED显示屏系统应用实践的效果良好，已经取得良好的社会效益和经济效益。

6 结束语

随着ARM芯片的普及和制造成本的下降，在未来STM32微处理器一定会在嵌入式电子显示技术应用领域中占有一席之地。

作者简介：刘志龙（1975-），黑龙江省电子技术研究所，工程硕士，副高，研究方向：嵌入式系统在LED显示屏控制系统中的应用。

吴昊（1988-），黑龙江省电子技术研究所，本科，助工。endprint