用戶(hù)自定制LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)-P87LPC762
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電器設(shè)備的輸出顯示技術(shù)也變得復(fù)雜多樣，諸如CRT顯示、LCD顯示、多位LED顯示及發(fā)光二極管顯示等應(yīng)運(yùn)而生。在這些顯示當(dāng)中，LED及發(fā)光二極管顯示電路較為簡(jiǎn)單，成本也較低，在功能單一的儀器儀表與機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用較廣。但當(dāng)設(shè)備顯示的點(diǎn)或位較多時(shí)，就需要采用一定的驅(qū)動(dòng)電路與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式。 　　

在LED的驅(qū)動(dòng)和顯示單元的設(shè)計(jì)中，采用的方式有許多種：利用計(jì)算機(jī)芯片的端口作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)口,并通過(guò)軟件編程加外部驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是占用計(jì)算機(jī)芯片的時(shí)間和相關(guān)資源；利用專(zhuān)用接口芯片如Intel8155、8255等作為計(jì)算機(jī)芯片的端口擴(kuò)展，并通過(guò)軟件編程加外部驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，功耗較大，也要占用計(jì)算機(jī)芯片的時(shí)間和相關(guān)資源；利用顯示用專(zhuān)用芯片如Intel8279、MAX7219、PS7219等，可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能，但其占用計(jì)算機(jī)芯片端口還是較多，并且芯片價(jià)格較高。大多數(shù)顯示驅(qū)動(dòng)器都沒(méi)有嚴(yán)格的總線(xiàn)時(shí)序，在強(qiáng)干擾環(huán)境下容易造成時(shí)序混亂，使顯示不正常。本文討論的LED顯示方案是利用Philips公司的LPC系列單片機(jī)芯片的電路特性，從另一種形式來(lái)定制專(zhuān)用的LED顯示驅(qū)動(dòng)控制器芯片。主要利用基于I2C總線(xiàn)的通訊接口，使連接可靠；且基于軟件編程控制顯示，使顯示方式及種類(lèi)多樣。由于LPC系列芯片的端口驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，一般的LED可直接連接，在不外加組件的情況下，可實(shí)現(xiàn)多位LED或大量發(fā)光二極管的顯示，與其它芯片連接時(shí)，占用的I/O口較少。 　　

1、4位7段LED顯示器
通常的4位LED顯示器如圖1所示，其內(nèi)部由多只發(fā)光二極管構(gòu)成，按連接方式不同可分為共陽(yáng)極LED與共陰極LED。其電路特性基本一致：發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降為1.2V～1.8V、正向工作電流為2mA～15mA。在顯示驅(qū)動(dòng)方式中，采用動(dòng)態(tài)掃描。當(dāng)掃描到n1～n4公共端時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)應(yīng)輸出a～dp的顯示段，LED就能正常顯示。在自定制LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片中，LPC系列中的P87LPC762單片機(jī)芯片具有較好的端口設(shè)置與較強(qiáng)的內(nèi)部功能，因此可以通過(guò)編程設(shè)置其引腳功能作為L(zhǎng)ED顯示器的驅(qū)動(dòng)芯片。

圖14位LED顯示器 　　

2、定制4位7段LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片
要實(shí)現(xiàn)4位7段LED的顯示，只要使流過(guò)發(fā)光二極管每段的電流達(dá)到要求就可以了。在這里選用Philips公司LPC系列的P87LPC762單片機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動(dòng)電路。P87LPC762是一款增強(qiáng)型51系列的單片機(jī)，除具有一般單片機(jī)的功能外，還具有驅(qū)動(dòng)LED的性能：　　

I/O口具有上拉輸出模式或開(kāi)漏輸出模式設(shè)置，可作為共陰極或共陽(yáng)極LED的段輸出與位輸出。 　　
具有較大的埠拉電流或灌電流，內(nèi)部有短路保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)LED的電流驅(qū)動(dòng)。 　　
當(dāng)設(shè)計(jì)4位LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，芯片其余引腳可作I2C總線(xiàn)地址設(shè)置、LED的極性選擇。 　　
內(nèi)部有2K的OPT，可作為程序內(nèi)存，用以實(shí)現(xiàn)接口與顯示程序化。 　　
自帶I2C硬件接口，便于接口編程與多芯片連接。 　　
內(nèi)部看門(mén)狗與內(nèi)部復(fù)位，可提高驅(qū)動(dòng)顯示的可靠性。 　　
內(nèi)部設(shè)有RC振蕩器，減少了外部組件。 　　

P87LPC762芯片的引腳功能如圖2所示。它有三個(gè)埠：Port0、Port1、Port2。當(dāng)選擇內(nèi)部振蕩和內(nèi)部復(fù)位時(shí)，最大的I/O埠數(shù)目可達(dá)到18個(gè)。大多數(shù)端口均可以通過(guò)軟件配置成準(zhǔn)雙向、上拉、輸入、開(kāi)漏輸出四種類(lèi)型之一。對(duì)于上拉輸出模式，P87LPC762在標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)雙向口基礎(chǔ)上增加了第三只三極管以提供強(qiáng)上拉功能,在高電平時(shí)可輸出很大的拉電流；對(duì)于開(kāi)漏輸出模式，端口對(duì)外可提供很大的灌電流；對(duì)于輸入模式，端口引腳電平由外部電壓決定。 　　

根據(jù)4位動(dòng)態(tài)LED的顯示特性，在此對(duì)P87LPC762的埠作定義，定義引腳如表1所示。P0.0～P0.7作為4位LED的段輸出，根據(jù)LED極性不同，埠可設(shè)為上拉輸出或開(kāi)漏輸出；P1.0、P1.1、P1.6、P1.7作為4位LED的位輸出，根據(jù)LED極性不同，埠可設(shè)為開(kāi)漏輸出或上拉輸出；P1.5作為L(zhǎng)ED的極性選擇，設(shè)置為輸入模式；P2.1、P2.0、P1.4作為I2C總線(xiàn)外部地址，便于多芯片連接時(shí)對(duì)I2C總線(xiàn)地址設(shè)定，設(shè)置為輸入模式；P1.2、P1.3保持I2C總線(xiàn)接口功能不變。定義后的芯片引腳如圖3所示。

圖2 P87LPC762芯片原引腳功能

圖3 P87LPC762新定制芯片引腳定義　　

要實(shí)現(xiàn)以上的芯片設(shè)置，P87LPC762的部分內(nèi)部特殊功能寄存器及引腳設(shè)置如表2所示。PxMx為端口模式設(shè)置，配合LED極性進(jìn)行選擇。UCFG1為芯片系統(tǒng)配置字，在芯片編程時(shí)需寫(xiě)入，在程序運(yùn)行后便不可以設(shè)置了。當(dāng)配置字為FBH時(shí)，其意義為：?jiǎn)?dòng)看門(mén)狗、內(nèi)部復(fù)位、復(fù)位后口線(xiàn)為高電平、欠壓電壓為2.5V、六個(gè)Clock時(shí)鐘，內(nèi)部RC振蕩器。 　　

3、定制6位“米”字段LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片
通常，1位“米”字段LED顯示器外形圖如圖4所示，其內(nèi)部由多只發(fā)光二極管構(gòu)成。如要組成6位“米”字段LED顯示器，需將相同的段、位分別連接起來(lái)，每位公共端引出以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。根據(jù)發(fā)光二極管連接極性不同，可分為共陽(yáng)極與共陰極兩種方式。6位“米”字段LED顯示器由于輸出段、位較多，可選用LPC系列的P89LPC932芯片實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動(dòng)電路，其引腳為28腳封裝，最大的I/O埠數(shù)目可達(dá)到26個(gè)，功能引腳如圖5所示。P89LPC932具有與P87LPC762相同的埠電氣特性，并且具有較多的I/O埠，因此可以將它作為6位“米”字段LED顯示器的驅(qū)動(dòng)器芯片。新定制的驅(qū)動(dòng)器芯片引腳如圖6所示：a～n為驅(qū)動(dòng)段輸出，n1～n6為驅(qū)動(dòng)位輸出；A/K作為共陽(yáng)極與共陰極的選擇端；;A0～A2作為I2C總線(xiàn)外部地址選擇，最多可連接8只外部芯片；SDA、SCL保持I2C總線(xiàn)接口功能不變。

圖6 P89LPC932新定制芯片引腳定義

4、定制的LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片的應(yīng)用
以定制的4位7段LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片為例，設(shè)計(jì)的LED顯示驅(qū)動(dòng)器的原理圖如圖7所示。它采用89C52單片機(jī)的通用I/O口P1.0、P1.1作為模擬I2C總線(xiàn)；LED顯示器為4位共陰極LED，A/K引腳接電源；顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用P87LPC762作定制，命名為L(zhǎng)ED-762。第一塊芯片的I2C總線(xiàn)外部地址為000，用A0、A1、A2引腳接地來(lái)實(shí)現(xiàn)，其余芯片地址依次設(shè)置，最多可連接8只外部芯片(圖中未畫(huà)出)。從電路圖來(lái)看,LED-762可以不加任何外部組件就可以作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)器，由于采用I2C總線(xiàn)連接，占用系統(tǒng)資源最少，電路較簡(jiǎn)單。如在I2C總線(xiàn)上連接8只LED-762， LED擴(kuò)展位數(shù)可達(dá)到32位。對(duì)于“米”字段LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片的應(yīng)用，可采用同樣的連接方式。在同樣的I2C總線(xiàn)上，最多可擴(kuò)展的“米”字段LED可達(dá)到48位，足可以滿(mǎn)足一般使用要求。 　　
為了提高I2C總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力，在實(shí)現(xiàn)多片連接時(shí)，SCL、SDA需接總線(xiàn)匹配上拉電阻。

5、定制的LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片的軟件編程
由于LPC系列芯片內(nèi)部帶有支持I2C總線(xiàn)硬件接口，用戶(hù)可以直接把它作為I2C總線(xiàn)的主控器或I2C總線(xiàn)的被控器。被控器通過(guò)I2C硬件中斷處理可實(shí)現(xiàn)從總線(xiàn)上接收或發(fā)送數(shù)據(jù)；主控器操作I2C總線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)起始時(shí)序、數(shù)據(jù)時(shí)序、應(yīng)答時(shí)序、停止時(shí)序來(lái)檢測(cè)I2C總線(xiàn)被控器，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送。I2C總線(xiàn)上的被控器是以I2C總線(xiàn)地址來(lái)區(qū)別的。I2C總線(xiàn)地址統(tǒng)一由I2C總線(xiàn)委員會(huì)實(shí)現(xiàn)分配，芯片地址共7位(它占據(jù)了D7～D1位)，高4位(D7～D4)決定芯片種類(lèi)，用戶(hù)也可以自定義芯片種類(lèi)，低3位(D3～D1)通過(guò)芯片A0、A1、A2引腳設(shè)置。 　　

當(dāng)使用帶有I2C總線(xiàn)接口的LPC系列芯片定制LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片時(shí)，定制的LED顯示驅(qū)動(dòng)器芯片設(shè)置為被控器，而要發(fā)送顯示數(shù)據(jù)的CPU設(shè)置為I2C總線(xiàn)主控器。定制的LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)I2C中斷接收資料的流程圖如圖8所示。當(dāng)從I2C總線(xiàn)上接收第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，判斷是否與本芯片地址相同，如相同并且為寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)，則發(fā)送應(yīng)答時(shí)序接收4位顯示數(shù)據(jù)，然后I2C接口恢復(fù)到空閑狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)顯示，可對(duì)LED顯示驅(qū)動(dòng)器編制顯示程序，根據(jù)LED極性輸入，分別送出要顯示的段和位，LED就能正常顯示。

參考文獻(xiàn)
1 張毅剛，彭喜源，譚曉昀等. MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997
2 何立民. I2C總線(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 1995
3 周航慈.51LPC 系列OTP 單片機(jī)原理及應(yīng)用設(shè)計(jì). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000