P9816驱动的护栏管显示与控制系统设计

摘要：设计了护栏管显示与控制系统，给出了它们的硬件电路图。结合驱动芯片P9816的通信协议，编写了相应程序来控制护栏管的显示。系统采用控制器读取SD卡中的数据并进行处理，将处理后的数据送入护栏管，护栏管即可显示丰富多彩的内容。
关键词：护栏管；P9816；通信协议；SD卡

引言
    护栏管广泛应用于楼体墙面、公园、娱乐场所等地方。护栏管串联而成的霓虹灯以及建筑物周围用护栏管做成的装饰灯给城市的夜晚增添了无限魅力，其组成的LED彩色显示屏可以用来显示文字、图形、图像、动画等各种信息，透视度强，能见度高，是一种比较理想的实用显示屏幕。护栏管组成的电子产品一直受到人们的喜爱，故障率低、易维护、容易升级更新、开发成本相对较低。本文设计的护栏管显示控制系统，简单易操作，有很强的灵活性，具有广阔的市场前景。
    目前市场上有多种LED护栏管以及护栏管驱动芯片，本系统选用P9816芯片来驱动护栏管。比较常见的护栏管有6、8、12、16、32段等，每一段又称为一个像素点，段数越多，显示的效果越好。该系统选用6段的护栏管，其中的发光二极管是由控制器STC89C52、P9816和部分外围电路控制。

1 护栏管硬件电路设计
    6段护栏管即一根护栏管上有6段，每段各有6个红色发光二极管、6个绿色发光二极管、6个蓝色发光二极管，每种颜色的二极管又可以实现256个灰度级变化，3种颜色不同灰度级的不同组合可以使每一段显示出不同的色彩。因此，护栏管可以达到非常好的混色效果。根据用户的需要，把护栏管排列成不同的形状，串联起来放在建筑物的四周或者道路两侧；也可以把若干护栏管组合成屏幕，显示各种信息。护栏管级联结构框图如图1所示。

    系统包括控制器部分以及护栏管显示部分。每一根护栏管上有一个P9816驱动芯片，采用24 V直流稳压电源(电源1)对护栏管上的发光二极管供电，通过电源电路把24 V电压转变成5 V(电源2)对单片机STC89C52和P9816驱动芯片供电。把效果文件放入被格式化过的SD卡中，利用控制器读取SD卡中的内容并将数据送入护栏管显示。本系统选用了高集成度的芯片，如单片机STC89C52、74HC245、P9816驱动芯片，硬件电路比较简洁，便于设计和制作，方便实验。
1．1 LED护栏管显示设计
    护栏管显示部分包括P9816驱动电路、LED护栏管发光电路以及电源电路3部分。
1．1．1 P9816驱动电路设计
    P9816作为护栏管的驱动芯片有以下优点：
    ①它是一款全彩点光源LED驱动芯片，采用CMOS工艺，提供9路恒流驱动及256级灰度调制输出；使用1／2分频技术，使1片IC能控制6个像素点，用于驱动显示灯光变幻、彩色动漫图案。
    ②根据不同控制器和客户不同形式要求，进行脱机或联机运行，可视效果分明，级联方式简单，数据传输稳定，抗干扰能力强。
    ③最大串行输入数据时钟频率为10 MHz，数据信号锁相再生，1 MHz数据传输速度下级联点光源可达1 024个。
    由此可见P9816是一种比较理想的LED护栏管驱动芯片。本文考虑到设计的复杂性和现有的软硬件没备，决定使用单一控制器对LED护栏管进行控制，在以后产品更新过程中可以逐步使用多个控制器，这样就使整个系统相对较容易控制。给驱动芯片供电即可正常工作，P9816驱动电路如图2所示。

    P9816输出 3组信号，可以控制3段发光二极管，而一根护栏管有6段。需要设计一个电路，当分频信号SEL为高电平“1”时，扫描1、3、5段，此时1、3、5段发光二极管亮；SEL为低电平“0”时，扫描2、4、6段，此时2、4、6段发光二极管亮，实现对6段护栏管的分时控制。

    分时控制电路如图3所示。其中VCC为高电平。工作原理如下：当SEL为高电平时，Q1导通，Q4的基极为低电平，从而使Q4导通；同时，Q2导通，Q3截止，Q5的基极为高阻态，从而Q5截止。利用Q4、Q5的开关特性通过DA、DB的高低电平不同来实现分时控制。
1．1．2 LED护栏管电路设计
    P9816提供电流驱动，每路驱动的最大电流是26 mA，此电流可以使发光二极管能够正常发光。LED护栏管电路如图4所示。DA、DB电压约为22 V，且流过发光二极管的电流约为10 mA时二极管即可正常发光。由于发光二极管的颜色不同，导致各个管压降不同，红色发光二极管的压降为2 V，绿色和蓝色发光二极管的压降为3V。因此在红色发光二极管的电路中使用了一个5．1 V的稳压二极管进行降压。并且电路接的电阻较大为510 Ω，红色发光二极管的电路总压降可以近似表示为5．1V+510x 0．01V+6×2 V=22．2V，符合电路设计要求；绿色和蓝色发光二极管的管压降几乎相同，因此绿色和蓝色发光二极管可以使用相同的硬件发光电路，接360Ω的电阻，其正常工作时的电路的总压降可以表示为360×0．01V+3×6 V=11．6V。经过实验测试，设计的电路系统可稳定工作，红、绿、蓝发光二极管可以正常发光，初步实现了预期效果。

1．1．3 电源电路设计
    发光二极管和P9816的工作电压是不同的，P9816正常工作需要+5 V电源，当只提供24 V电源时，需要设计电路来得到5 V电压。电源电路如图5所示。

    电路中选用LM78L05作为稳压器件，其输出电流可为100mA。LM78L05长时间工作会发热，加限流、分压电阻R1，经测试得到LM78L05输入端电压为7．1V，因此LM78L05可以稳定工作在稳压状态。此电路既可以满足各元器件的工作电压，又极大地降低了电路成本，是一种比较理想的设计方案。
1．2 MCU控制器电路设计
    控制器部分有STC89C52单片机、SD卡电路、74HC245驱动电路、电源以及液晶显示5部分。控制器部分的整体结构框图如图6所示。

    选用STC89C52单片机作为控制器，它是一款高速、低功耗和超强抗干扰的单片机。丁作电压范围为3．3～5．5 V，工作频率为0～40 MHz，实际工作频率可达48 MHz。此处选用5 V工作电压，对于晶振电路，该系统选用的是频率为27 MHz的石英晶振。在满足控制要求的前提下又使此单片机的内部资源得到最大限度的利用。
    利用74HC245总线驱动器，提高电路的带负载能力。74HC245是高集成芯片，使用时接线简单。将引脚1(DIR)接高电平，引脚19(OE)为使能端，若该脚为“1”则A／B端的信号将不导通，只有为“0”时A／B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用，所以正常使用时该引脚接地即可实现A端输入、B端输出。

    STC89C52与SD卡采用模拟串口通信，在控制器读取SD卡中的效果文件时，SD卡中的护栏管点数和文件个数通过LCD1602显示出来。电源采用图5提供的5 V电压供电。控制电路如图7所示。复位电路选用了电容与电阻串联的形式，电解电容C1=10μF，R1=1kΩ。

2 护栏管软件设计
   本系统很容易实现STC89C52单片机与P9816控制芯片通信。P9816通信协议与P9813兼容，P9816通信协议图如图8所示。

    前32位“0”为起始帧，在CIN上升沿时打入，并且时序DIN要先于CIN，标志位为2个“1”。校验数据“B7”与“B6”为蓝色灰度数据的“B7”与“B6”的反码，灰度级数据要高位先入，并且是蓝绿红顺序。
    将已经包含效果文件的SD卡放入MCU控制器的卡槽中，当要求护栏管显示内容时，可以直接打开开关。在程序的执行过程中，首先是读取SD卡中的数据，为使程序能够高效的运行，规定SD卡中的每个效果文件具有一定的格式：
    ①第1个效果文件的第1个512字节中的前4个字节存放护栏管的点数(512点或1024点或其他)；
    ②第1个效果文件的第1个512字节中的第5个、第6个和第7个字节存放此SD卡中包含的效果文件的个数；
    ③第1个效果文件的第1个512字节中的第8个字节若为1，表示循环发送整个SD卡中的数据，为0表示只发送一次SD卡中的数据；
    ④从第1个效果文件的第2个512字节及其他的效果文件的第1个512字节开始存放护栏管的灰度数据。
    STC89C52单片机中的程序和SD卡中的数据是严格遵守此规则的，制定此规则同时也具有加密的作用。然后进行数据分析，得到护栏管点数、文件个数以及数据的地址。最后按照P9816通信协议中的数据格式来发送数据。本系统的程序结构简单，思路明确，系统程序流程图如图9所示。

结语
    本系统设计制作的护栏管完成了预期目标，软硬件相结合取得了较好的实验效果。实际中是动态的，根据SD卡中不同的数据显示各种各样的颜色和图案。

    图10为护栏管实物图。本文设计的护栏管显示控制系统，成本低、应用灵活、硬件电路设计制作相对比较简单，非常适合用于城市夜化美化工程，具有较好的应用前景。