基于EDA軟件Proteus的LED屏下位機系統設計

為了開發LED信息顯示屏系統，對LED單行顯示屏下位機系統進行了研究，利用EDA軟件PRO-TEUS建立了基于51單片機的硬件電路原理圖，同時在KEIL環境下編寫了相應的單片機通信和控制程序。經PROTEUS與KEIL的聯合仿真和調試，證明了設計的可行性，開發出了包含從上位機接收字符信息并儲存在下位機存儲器中的串口通信部分和從存儲器讀出字符信息并顯示的顯示控制部分的顯示屏下位機系統。

0 引言

隨著發光二極管(LED)技術的發展，亮度高、功耗小的LE D不斷面世，技術上的可行和成本的降低使LED顯示屏有了應用和發展的機會。同時，隨著計算機技術和基于計算機技術的電子設計自動化(EDA)技術的發展，由于E DA技術具有可提高電子系統設計效率和可靠性、降低設計者勞動強度和設計風險等眾多的優勢，越來越多的電子系統的設計都會借助諸如PROTEUS, KEIL, MULTISIM,PROTEL,MATLAB等EDA工具。

本文從一個實際的LED顯示屏下位機的應用設計出發重點論述了串口通信和顯示控制兩個部分，系統采用的EDA工具軟件主要是PROTEUS和KEIL

1 EDA及主要工具軟件簡介

EDA技術指以計算機為工作平臺，融合了電子技術、計算機技術、智能化技術最新成果的現代電子設計技術。隨著計算機技術的發展，目前絕大多數電子系統的設計都會采用EDA工具軟件來完成。根據設計項目的不同及設計需求的不同，所采用的EDA軟件也不同，目前常用的EDA工具軟件主要有:PROTEUS, KEIL, MULTISIM,PROTEL,MATLAB，MAXPLUS,QUARTUS等。PROTEUS和KEIL是在EDA環境下進行單片機相關開發的完美組合。

1.1 PROTEUS簡介

Proteus軟件是英國Labcenter Electronic。公司研發的EDA工具軟件，它已具有近二十年的歷史，在電子行業中得到了廣泛的應用，除了具有和其它EDA工具一樣的原理圖布圖、PCB布線及電路仿真的功能外，還具有革命性的功能:互動的電路仿真、針對微處理器的應用，并可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，實現軟件源碼級實時調試，有顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出效果，配合軟件提供的虛擬儀器(示波器、邏輯分析儀等)，可以方便地進行電子系統的開發。

1.2 KEIL μvision2簡介

KEIL協μvision2是美國Keil Software公司出品的15系列兼容單片機集成開發環境，它是15系列單片機開發的優秀軟件之一，集編輯、編譯、仿真功能于一體，支持匯編、PLM和C語言的程序設計，界面友好，易學易用，并可和PROTEUS聯合調試。

2 LED顯示屏下位機系統

對于 一個LED顯示屏系統來說，整個系統由上位機(一般由個人計算機擔當)和下位機(一般由單片機、ARM或CPLD、FPGA等擔當)組成。而下位機是整個系統的核心部分，也是設計的重點和難點部分，下位機的性能在很大程度上決定整個系統的性能。系統由于要顯示漢字字符信息，漢字編碼到顯示碼的轉換、存儲及控制顯示由上位機還是下位機來承擔要有明確的分工，解決方案有兩個:一是將漢字庫顯示碼存儲在下位機中，上位機只傳送漢字編碼，由下位機通過編碼查找漢字顯示碼地址進行漢字顯示;二是漢字編碼到顯示碼的轉換由上位機軟件完成，串口通信傳送顯示碼，下位機只負責顯示碼的存儲和控制顯示。由于漢字庫對下位單片機來說較大，存儲成本高且電路復雜、程序編寫麻煩，而對上位機來說，漢字庫存儲和漢字編碼到顯示碼的轉換編程容易，綜合考慮上位機及下位機的特點，決定采用第二套方案。

2.1硬件結構

從硬件上來講，下位機系統主要由處于核心地位的8051單片機及與上位PC機通信的RS232接RAM存儲器、驅動控制陣列、LED顯示點陣等部分組成。本設計的下位機硬件系統框圖如圖1所

RS232 接口負責接收上位機傳來的漢字顯示碼，并向8051單片機發出中斷信號;單片機響應中斷后將漢字顯示碼存儲于RAM中，RAM可根據設計需要選擇6264、62128或更大容量的存儲器;8051單片機在與上位機的通信結束且存儲完成后，將從RAM中取出顯示碼由驅動及控制陣列控制LED點陣進行字符顯示。在硬件系統中，除了以上這些功能性器件外，電源的選擇也比較重要，由于在實際應用中LED顯示屏面積一般較大，功耗普遍都在30W以上，而系統的供電電壓為5V，供電電流將達6A，為保證系統正常工作，必須使用開關電源。

2.2 下位機軟件

下位機軟件是運行于8015單片機的16進制機器語言，可以由匯編語言或C51編寫，在KEIL開發環境中編譯成8051單片機的機器語言。下位機軟件的功能是配合硬件完成漢字顯示碼的接收、存儲及控制顯示，算法流程圖如圖2所示。

單片機初始化包含片內RAM(包括計數寄存器等)初始化、RS232信設置初始化、中斷初始化等，對于傳輸是否完畢的判斷是將編碼在顯示碼流首字節內的傳輸總字數和單片機計數寄存器相比較，顯示之前的串口接收重置是為了下次串口通信的方便。在程序運行的任意時刻，上位機向下位機發送顯示碼會引起串口中斷，單片機會中斷當前的工作并保存現場數據，轉而接收顯示碼并存儲在片外RAM中，完成之后會返回中斷的斷點繼續前面的工作，由于中斷可能隨時發生，所以沒有在流程圖中畫出。

3 串口通信

通信部分是連接上位PC機和下位單片機的信息通道，由于RS223申口通信被單片機和PC機廣泛支持，而且通信協議簡單、便于電氣連接和編程控制，所以在本設計中采用RS232串口通信標準。在電 氣 連 接上，單片機的RXD端口接PC機串口的TXD，單片機的TXD端口接PC機串口的RXD，公共地連接在一起。而在軟件方面，除了要設置合理的波特率外，主要是下位機的串口中斷入口程序要將上位機發送來的顯示碼流中的字符顯示碼及相關控制字保存到相應隊M及寄存器中，并要記得清除RI以便下一次接收。

4 PROTEUS仿真及與KEIL的聯合調試

下位機系統按照圖1的硬件系統框圖進行搭建，8015單片機可選擇AT89C51，RAM存儲器可選擇SK內存的HY6264，同時需要一片74LS373作地址鎖存，驅動及控制陣列用帶輸出鎖存的移位寄存器74LS595，LED點陣選用Φ3的8x8點陣模塊。在PROTEUS6.9SP5環境下的仿真原理圖如圖3所示，其中LED點陣只有兩個字，這對系統的構建和測試已經足夠，在實際工程應用中可以擴展字數。

在PROETEUS6.9SP5環境下搭好電路原理圖后，還要按照圖2所示的算法流程編寫單片機的程序才能進行仿真。程序的編寫可以直接在PROTEUS下進行，但PRO花US僅提供ASM51編譯器，即只能用匯編語言編寫源程序。單片機程序也可在KEILμvision2集成開發環境中編寫，可以使用C或匯編語言編寫源程序，經編譯后可以聯合仿真調試。

對于 PROTEUS和KEIL的聯合仿真調試，需要對各自開發環境進行一定的設置，具體方法如下:首先將PROTEUS安裝目錄下模型庫中的"VDM51.DLL"動態鏈接庫復制到KEIL安裝目錄下的"C5lBIN"文件夾;然后修改KEIL安裝目錄下的"TOOLS.INI"文件，在【C51】子項中增加一行"TDRV5=BINVDM51.DL("proteus VSM Simulator")";其次打開PROTEUS，在Debug菜單中勾選"Use Remote Debug Monitor";最后在KEIL環境中編寫程序并編譯后，在設置選項的調試標簽中選擇"使用Proteus VSM Simulator"。以上步驟設置完成后即可進行聯合仿真調試。

5 結束語

利用EDA技術進行LED屏下位機系統的設計可以提高設計效率和可靠性、降低設計的勞動強度和設計成本并可以在將來方便地修改設計。本設計旨在驗證硬件設計和算法的可行性，在應用到工程實際中時，還需要根據實際情況增加顯示控制器件及LED顯示模塊，同時還要考慮電源供電功率的問題及散熱問題。

來源： 湖北師范學院學報（自然科學版）作者 ：梅斌