通過SPI系統方法對輸出電路進行改造，可極大地使原有控制系統滿足數據高速輸出的要求。本文給出的例子雖是基于LED大屏幕應用的，但在LCD 或是其他對數據有高速輸出要求的系統中，同樣具有借鑒運用意義。

    在實踐運用中，建議應先考慮在原有的系統上進行硬件電路改造，如仍不能滿足顯示要求，可再考慮更換高速率微處理器及用FPGA/ CPLD 器件進行輸出電路替代處理的方案。本文以LED大屏幕控制電路為例，提出了一種在硬件電路改造上提高顯示數據輸出速度的實現辦法。

    在研究目前LED大屏幕控制電路的基礎上，提出了一種提高輸出速度的實現方法。文中給出了該方法的原理與電路圖，并探討了不同計數方式下，數據的組織與顯示的實現過程。此方法如果與FPGA/ CPLD 改造、使用更高頻率單片機的方式相結合，將會進一步提高大屏幕控制電路的性能。改造電路可以高至單片機主頻的1/ 4 頻率送出顯示數據，文中說明了使用此方式時應注意的事項。

    數據輸出電路的優化基理

    由LED大屏幕的顯示原理可知，一個數據顯示在LED大屏幕的過程分為：從存儲器中讀出數據與送入到LED板中顯示兩個步驟。這一過程需要產生如下控制信號：數據地址送入存儲器，存儲器讀信號，鎖存器開通及LED單元板中的行信號、HC595 的SCK 移位、RCK 鎖存、E 使能信號等。這些必需信號的產生增加了數據顯示過程的時間。如果能夠復用其中的信號，勢必減少這一過程的延時。在LED顯示系統中，常把顯示數據按行存儲到外部ROM/ RAM 中的辦法即是一例。該辦法設定存儲器的高位并接到L ED的行控制線上，數據按行儲存，送入數據地址后，按行讀出數據，并同時開通了行控制信號。下面的信號復用方案也是類似的原理。

    圖1 　信號復用示例

    在考查讀外存的MOVX 命令時發現：執行該命令時可產生讀信號(RD # )，即讀外存時不但不需要另外去產生讀信號(RD # )，而且還可以將此信號供給鎖存器74HC273 及LED板上的移位信號SCK使用。這里要注意的是：在數據讀出后，SCK信號才送出，所以RD # 信號不可直接做SCK信號使用，必須做延時處理(最小延時必須要略大于RAM 的讀寫時間tRC與74HC273 的數據鎖存延時tTL H之和)。

    而當連續讀出一塊存儲器數據時，需要通過程序產生新的地址賦值給數據口， 而這些地址都是順序變化的。基于這一特點，設計采用計數器電路用來保存讀數據時的初始地址，利用外部供給的脈沖，只要對計數器的保存地址進行順序增加，即可將數據連續讀出。

    單片機ALE 腳或是利用串行口工作方式也會產生一定頻率的脈沖，但沒有SPI 方式下產生的脈沖頻率高，且這兩種方式的使用均有一定的限制，而啟動SPI 方式比較方便。串行外圍接口(Serial Perip heral Interface , SPI) 總線系統是一種同步串行外設接口，是Motorola 首先在其MC68HCXX 系列處理器上定義的。SPI 系統有4 個I/ O 腳，它們是串行時鐘SPSCK、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/ 從機輸入數據線MOSI 和低位有效的從機選擇數據線SS.SP2SCK用于同步數據從MOSI 輸入和MISO 的輸出傳送。通過對SPI 控制寄存器SPCR 的設置，SPSCK的頻率最高可以達到振蕩器頻率( fOSC )的1/ 4。

    因為SPI 模式可方便產生出較高頻率脈沖的優點，即采用SPSCK作為計數器的脈沖，利用計數器對存儲器產生連續變化的地址，實現對數據的高速讀出。并且SPSCK 信號經過變換與延時處理，可同時供給LED做SCK移位信號使用。

    圖2 　SPI 在讀取存儲器的運用

    SPI 運用的實現過程

    從上文可以得到這樣的啟示：在LED控制電路的設計中，可借助于SPI 模式讀取數據，即增加一塊SPI 模式的FLASH 存儲器，一方面可以保存重要文檔，另一方面可以利用SPSCK 產生的信號，通過計數器電路實現對存儲器高速讀數據，并且復用此信號產生屏幕顯示的控制信號。在給定了輸出數據的首地址并啟動SPI 后，此方式使數據的讀出到屏幕顯示這一過程自動進行，同一信號源的全硬件方式大大減少了以往分別產生各控制信號方式時的銜接延時。圖3 為SPI 在LED大屏幕控制電路中的運用示例。

    圖3 　SPI 模式下的L ED 大屏幕控制電路圖

    級聯計數器的個數根據RAM 的容量大小，即地址線的數目來確定。微處理器通過驅動器連接SPI 串行存儲器， 驅動器可以選擇7407 或7417 的型號。RM_MODE 用來區別不同的讀寫操作方式。當RM_MODE = 1 時，是普通讀寫外部存儲器的方式，當RM_MODE = 0 時，就可以讓主機作為主器件，串行FLASH 存儲器作為從器件，兩者以SPI 方式進行通信，利用此時產生的SPSCK信號對存儲器進行高速讀數據操作。同時SPSCK信號經過變換與延時處理，可以供給LED做SCK 移位信號用。在計數脈沖的輸入端，可以使用跳線做加、減方式的選擇處理。當脈沖接于計數器UP 端時， 為加計數方式， 接于DOWN 時，為減計數方式。圖3 也可擴展并接多組計數器，多組RAM.

    減計數器方式的運用大大增強了數據輸出的靈活性。在LED大屏幕顯示中，加、減計數器配合使用，可以使相同一塊控制卡輸出數據的顯示長度提高一倍。當使用減計數器方式時，為了與使用加方式時LED大屏幕上顯示的圖文一致，必須對與減計數器連接的RAM 的數據進行上、下半屏交換處理，并且在輸出時要在程序中改變數據的起始點，給出的行控制信號(RCK) 也應做倒序處理(見圖4)。

    圖4 　加、減法模式下的數據組織與顯示

    本方式使用時的注意事項

    本方式使用時要注意計數器及RAM 芯片的讀寫速度必須與SPSCK 相匹配。SPI 方式的速率比較高，電路各器件讀取速度越高，數據出錯的幾率就會越小。

    此外還有其他一些原因也會引起讀數據時的錯誤。如軟件編寫不當導致數據地址超出RAM空間，電路設計未重視計數器高速工作時發熱對周邊器件與布線帶來的影響等。

    使用SPSCK 信號讀取外部儲存器時，同樣會產生SPI 主、從模式下的溢出錯誤，即連續傳輸多個數據時， 后一個數據覆蓋了前一個數據而產生的錯誤。這種錯誤產生的原因是從器件的傳輸標志SPIF從相對于主器件的傳輸標志SPIF主有一定的滯后，在主器件連續發送數據時，會導致從器件的傳輸標志和主器件下一個數據的傳輸標志相重迭，而利用SPSCK 觸發計數器使地址遞加讀取數據，第一個收到的數據也會被覆蓋。

    這種傳輸錯誤可以用軟、硬件的方法進行改進。在本文的設計中，后期在軟件編寫上采用了如下解決方法：先啟動SPI 模式，再進入計數器讀并行RAM ,浪費一個時序。或是在RAM 中存入數據時，全部存到它后一位的地址單元上，再用SPI 方式產生的脈沖去讀RAM ,就可得到正確的數據。

    理論上本文方式可使顯示數據的輸出速度高至fOSC的1/ 4 ,但實際運用時卻受到了RAM、鎖存器等輸出電路器件的參數限制。SPSCK 的速率設定要根據所選擇RAM 的參數確定，即要滿足RAM 最小的地址有效時間與數據有效時間的要求。

    圖5 　主、從SPIF 時序下的數據溢出錯誤

    在LED大屏幕等顯示系統對數據輸出速度的要求日益提高的背景下，當前對控制設備進行改造的過程中，首選的辦法是更換更高速率的微處理器，而對硬件電路的挖潛往往容易被忽視。