【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)出一個(gè)基于 ARM7 的 LED 點(diǎn)陣式顯示屏的顯示控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的滾動(dòng)顯示。 本論文的主要內(nèi)容第一章：緒論。綜述LED顯示屏與LED 顯示屏控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)。第二章：LED 顯示系統(tǒng)的基本原理。該部分對(duì)組成系統(tǒng)的各部分及其原理進(jìn)行了介紹。第三章：基于ARM的LED顯示屏控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，和重要芯片及元器件的選型。第四章：顯示屏控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。給出系統(tǒng)各模塊的詳細(xì)電路圖。第五章：顯示屏控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。給出控制LED顯示的各子程序的流程圖，以及個(gè)別程序的詳細(xì)程序。第六章：結(jié)束語。7 / 472 LED 顯示系統(tǒng)的基本原理 LED 顯示屏 LED 顯示屏的顯示原理無論是單個(gè) LED（發(fā)光二極管）還是 LED 七段碼顯示器（數(shù)碼管） ，都不能顯示字符（含漢字）及更為復(fù)雜的圖形信息，主要是因?yàn)樗鼈儧]有足夠的信息顯示單位。LED 點(diǎn)陣顯示是把很多的 LED 按矩陣方式排列在一起，通過對(duì)各 LED 發(fā)光與不發(fā)光的控制完成各種字符或圖形的顯示，在一定面積的矩陣中集成的 LED 點(diǎn)數(shù)越多顯示的文字或圖像就會(huì)越清晰。當(dāng)需要顯示相關(guān)的文字時(shí)就只要點(diǎn)亮相應(yīng)的 LED 燈管的正極加高電壓，在負(fù)極加低電壓即可。一般的 LED 屏是由一個(gè)個(gè)小模塊組成的，常見的有 8*8 矩陣模塊等，通過將這些模塊級(jí)聯(lián)就會(huì)得到所需大小的 LED 顯示屏。屏幕顯示可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示兩種。靜態(tài)顯示每一個(gè)像素需要一套驅(qū)動(dòng)電路，如果顯示屏為 nm 個(gè)像素，則需要 nm 套驅(qū)動(dòng)電路；動(dòng)態(tài)掃描顯示則采用多路復(fù)用技術(shù)，如果是 P 路復(fù)用，則每 P 個(gè)像素需一套驅(qū)動(dòng)電路， nm 個(gè)像素僅需 nm ／ P 套驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)動(dòng)態(tài)掃描顯示而言，P 越大驅(qū)動(dòng)電路就越少，成本也就越低，引線也大大減少，更有利于高密度顯示屏的制造。在實(shí)際使用的 LED 大屏幕顯示器中，很少采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)。 LED 顯示屏的驅(qū)動(dòng)原理由 LED 器件的發(fā)光原理可知，只要在 LED 器件上加上足夠的正向電壓，那么流過它的電流就會(huì)使它發(fā)光，這就是 LED 器件的驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要調(diào)節(jié)LED 器件的發(fā)光強(qiáng)度，通常我們是通過調(diào)節(jié)流經(jīng) LED 器件的電流的平均時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。常見的 LED 器件的驅(qū)動(dòng)方式有 :直流驅(qū)動(dòng)，脈沖驅(qū)動(dòng)和掃描驅(qū)動(dòng)。(1) 脈沖驅(qū)動(dòng)所謂脈沖驅(qū)動(dòng)方式，就是利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，以脈沖的方式對(duì) LED 器件進(jìn)行供電，使之間歇性地點(diǎn)亮。采用這種驅(qū)動(dòng)方式需要對(duì)以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮脈沖電[3]8 / 47流的幅值和其重復(fù)頗率。首先，脈沖電流幅值的選擇，當(dāng)脈沖驅(qū)動(dòng)的平均值與直流驅(qū)動(dòng)的電流值相等時(shí)，我們?nèi)搜鄣母杏X是相同的，也就是說兩者的發(fā)光強(qiáng)度相當(dāng)。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象不能低與 24HZ 每秒，故采用該驅(qū)動(dòng)方法時(shí)，驅(qū)動(dòng)頻率不能小于24 次每秒。(2)掃描驅(qū)動(dòng)掃描驅(qū)動(dòng)是通過數(shù)字邏輯電路，使若干 LED 器件輪流導(dǎo)通，用以節(jié)省控制驅(qū)動(dòng)電路。LED 顯示屏是將發(fā)光燈按行按列布置的，驅(qū)動(dòng)時(shí)也就按行按列驅(qū)動(dòng)。在掃描驅(qū)動(dòng)方式下可以按行掃描，按列控制；也可以按列掃描，“掃描” 的含義，就是指一行一行地循環(huán)接通整行的 LED 器件，而不問這一行的哪一列的 LED 器件是否應(yīng)該點(diǎn)亮，某一列的 LED 器件是否應(yīng)該點(diǎn)亮，由所謂的列控制電路來負(fù)責(zé)。(3)直流驅(qū)動(dòng)。這是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方式，只要對(duì) LED 直接通以直流電即可。 LED 顯示屏的優(yōu)點(diǎn)LED 顯示與傳統(tǒng)顯示方式相比有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：：光譜幾乎全部集中于可見光頻率，效率可以達(dá)到 80%90%。而光效差不多的白熾燈可見光效率僅為 10%20%。2 品質(zhì)高：由于光譜中沒有紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射，屬于典型的綠色照明光源。：?jiǎn)误w功率一般在 ，通過集群方式可以量體裁衣地滿足不同的需要，浪費(fèi)很少。以其作為光源，在同樣亮度下耗電量?jī)H為普通白熾燈的 1/810。：光通量衰減到 70%的標(biāo)準(zhǔn)壽命是 10 萬小時(shí)。一個(gè)半導(dǎo)體照明燈具正常情況下可以使用長(zhǎng)達(dá) 50 年。LED 顯示器與 LCD 顯示器相比， LED 在亮度、功耗、可視角度和屏幕更新速率等方面，都更具優(yōu)勢(shì)。LED 與 LCD 的功耗比大約為 10:1，而且更高的更新速率使得LED 在影像方面有更好的性能表現(xiàn)，能提供寬達(dá) 160176。的視角，可以顯示各種文字、數(shù)位、彩色圖像及動(dòng)畫資訊，也可以播放電視、錄影、VCD、DVD 等彩色視頻信號(hào)，多幅顯示幕還可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)播出。而有機(jī) LED 顯示幕（OLED）的單個(gè)元素反應(yīng)速度是 LCD 液晶屏的 1000 倍，在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下 40 度的低溫。利用 LED 技術(shù)，可以制造出比[6]9 / 47LCD 更薄、更亮、更清晰的顯示器，擁有更廣泛的應(yīng)用前景。 結(jié)合本設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)橐米鞴卉嚨膱?bào)站顯示，所以要求有高亮度，高壽命，更廣的可視角度的特點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)選用 LED 屏。 基于 ARM 的控制板一般來說，對(duì)于小屏幕的 LED 顯示屏的控制都是采用 51 系列單片機(jī)作為主控芯片。通常的解決方案是這樣： 單片機(jī)總 線 驅(qū) 動(dòng) 器行驅(qū)動(dòng)電路LED 點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)電路圖 單片機(jī)對(duì) LED 的控制顯示示意圖該解決方案的控制流程如下：首先由單片機(jī)發(fā)出要在 LED 顯示屏上顯示的文字?jǐn)?shù)據(jù)信息以及相應(yīng)的控制信息到總線驅(qū)動(dòng)器。總線驅(qū)動(dòng)器本身并不對(duì)上位機(jī)發(fā)過來的信號(hào)進(jìn)行任何的改變，只是將這些信號(hào)傳遞到下一級(jí)，并對(duì)其提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。然后總線驅(qū)動(dòng)器對(duì)傳過來的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分兩路，一路傳到行驅(qū)動(dòng)電路，一路傳到列驅(qū)動(dòng)電路，在常見的顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中,列控制一般采用串入并帶鎖存的移位寄存器如 74HC595 ,將數(shù)據(jù)打入鎖存器中,使寄存器各引腳呈現(xiàn)與鎖存器相同的狀態(tài)來選中需要點(diǎn)亮的列。行控制一般采用譯碼器電路如 4/16 譯碼器 74HC154 ,控制信號(hào)經(jīng)譯碼后選中需要點(diǎn)亮的行。當(dāng)行、列驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別加載到 LED 點(diǎn)陣上時(shí)，就可將要顯示的信息在 LED 屏上顯示出來。該方案的優(yōu)點(diǎn)主要有：該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的器件常見且便宜，設(shè)計(jì)成本低廉；編程簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。[7][8]10 / 47缺點(diǎn)主要有：硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要較多的控制信號(hào)線，占用單片機(jī)較多端口，從而造成端口資源的浪費(fèi)；且該方案一般只能用于簡(jiǎn)單的文字和數(shù)字的顯示，不能用于視頻的顯示。對(duì)與大屏幕的顯示，由于大型 LED 屏幕的點(diǎn)陣規(guī)模極其龐大，所以采用低端單片機(jī)控制，用移位寄存器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行轉(zhuǎn)并行的方法遠(yuǎn)不能滿足需求。目前一般采用的方案是基于 ARM 的控制和基于 CPLD 的驅(qū)動(dòng)的模式。基于這種方式的控制系統(tǒng)能很好的滿足設(shè)計(jì)要求，如圖 所示。上位機(jī)PC 串口通信 ARM主控芯片 掃描驅(qū)動(dòng) 電路LED顯示屏圖 系統(tǒng)原理圖該方案的基本原理如下：該系統(tǒng)主要由三部分組成：PC 機(jī)，顯示控制電路和 LED 顯示屏構(gòu)成，PC 機(jī)在控制中作為上位機(jī)，用于對(duì)下位機(jī)的控制和管理。系統(tǒng)的重點(diǎn)是顯示控制電路，ARM 和CPLD 是顯示控制電路的核心部分，共同完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，控制信號(hào)的發(fā)送產(chǎn)生以及對(duì) LED 顯示屏的動(dòng)態(tài)掃描控制，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信號(hào)控制部分采用 ARM 實(shí)現(xiàn)，而 LED顯示屏的掃描驅(qū)動(dòng)電路采用 CPLD 來完成。上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232 或 RS485 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)串行通訊方式。LED 顯示屏在顯示控制電路的作用下，主要完成以下功能:按照上位機(jī)設(shè)定的顯示效果顯示圖像和文字。該方案的優(yōu)點(diǎn)有： 用可編程邏輯器件來完成電路功能，不僅能夠滿足 LED 大屏幕系統(tǒng)高速圖像數(shù)據(jù)傳輸對(duì)速度的要求，改善了電路性能，而且增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)中可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求靈活修改相應(yīng)硬件描述語言程序，而不需要修改電路硬件設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了成本。同時(shí)，采用基于 ARM 核的 32 位微處理器，解決了系統(tǒng)的運(yùn)行速度、尋址能力和功耗等問題，可以支持更大可視區(qū)域的穩(wěn)定顯示，可以存儲(chǔ)更多的顯示內(nèi)容。該系統(tǒng)不僅能顯示文字信息，而且也能完美支持視頻的顯示。同時(shí)缺點(diǎn)如下：系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)的成本高昂；編程規(guī)模巨大，開發(fā)難度大，不利于大規(guī)11 / 47模使用。由于本課題的目的是要開發(fā)一個(gè)公交車載的 LED 顯示系統(tǒng)，它是一個(gè)實(shí)際科研課題的子系統(tǒng)，此子系統(tǒng)分到的 CPU 端口資源極其有限，又基于以上兩種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題采用 ARM7 作為系統(tǒng)的控制核心，為了節(jié)約有限的 CPU 端口資源，且因?yàn)?LED 屏的文字和數(shù)字的顯示數(shù)據(jù)傳輸要求并不是很高，故 ARM 與 LED 屏之間的通信采用串口傳輸，所使用的協(xié)議是 RS232 串口通信協(xié)議。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：這種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了 CPU 的端口資源，有效簡(jiǎn)化了顯示屏的電路結(jié)構(gòu)，提高了整個(gè)顯示系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊與模塊之間的信號(hào)線數(shù)量較少，使得控制更加方便、靈活，模塊簡(jiǎn)單，能有效減少系統(tǒng)的開發(fā)周期與開發(fā)成本，完全的模塊化設(shè)計(jì)也能增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性。 串口通信協(xié)議 串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議，本設(shè)計(jì)中需要從上位PC機(jī)向控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，因此采用串口通信。常用的串口通信接口有基于RS232的串口，基于RS422的串口和基于RS485的串口，這三種接口所用的協(xié)議，接口的物理特性，所達(dá)到的最大傳輸距離都不相同，而一般的PC機(jī)都自帶有兩個(gè)基于 RS232的串口，若采用其他兩類接口則還需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)換裝置，而本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)不在于此，使用RS232接口也能滿足此設(shè)計(jì)的要求，因此本設(shè)計(jì)采用RS232 串口。EIA RS232C是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，它是在 1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、 調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于半雙工串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。該標(biāo)準(zhǔn)的目的是定義數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的電氣性。RS232C提供了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與PC 機(jī)之間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口。 它具有以下特點(diǎn)： （1）接口的電氣特性：在RS232C中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏 輯“1”，5— 15V ；邏輯“0” +5 — +15V 。噪聲容限為2V 。即 要求接收器能識(shí)別低至+3V的信號(hào)作為邏輯“0”，高到3V的信號(hào) 作為邏輯 “1”12 / 47（2）傳輸電纜長(zhǎng)度：由 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于 4%的情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度應(yīng)為 50 英尺，其實(shí)這個(gè) 4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)際應(yīng)用中，約有 99%的用戶是按碼元畸變 1020%的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過 50 英尺。 （3） RS232C 接口連接器一般使用型號(hào)為 DB9 插頭座 ,通常插頭在 DCE 端 ,插座在 DTE 端。 PC 機(jī)的 RS232 口為 9 芯針插座。一般設(shè)備與 PC 機(jī)連接的 RS232 接口 ，因?yàn)椴皇褂脤?duì)方的傳送控制信號(hào) ， 只需三條接口線，即 “發(fā)送數(shù)據(jù) TXD”、 接收數(shù)據(jù) RXD和 信號(hào)地 GND。 RS232 傳輸線采用屏蔽雙絞線。 ARM 的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 整體思路本課題是智能公交系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，主要完成信息的顯示與控制，具體就是[9]13 / 47設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)公交信息屏，信息屏選用 LED 顯示子塊（8*8）級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。一方面所用的LED 子塊比較多，外圍電路與掃描驅(qū)動(dòng)的比較復(fù)雜， 另一方面，現(xiàn)在市面上的 ARM7芯片價(jià)格也很便宜，性價(jià)比很高，所以本課題采用 LPC2294 芯片作為主控制芯片。本課題的具體功能主要是對(duì)上級(jí)系統(tǒng)送過來的顯示信息進(jìn)行存儲(chǔ)，處理，控制，與顯示。根據(jù)這一定義可以將課題具體劃分為 ARM 控制模塊，串口通信模塊，LED 顯示模塊，時(shí)鐘模塊，電源模塊五部分，以下是本次設(shè)計(jì)的方塊圖：上位系統(tǒng) ARM 控制模塊LED 控制電路（驅(qū)動(dòng)電路與接口電路等）LED 顯示屏?xí)r鐘模塊電源模塊串口通信模塊1串口通信模塊 2LED 控制板存儲(chǔ)器LED 顯示模塊圖 系統(tǒng)方塊圖 芯片選型： ARM 控制模塊該模塊主要由一塊 ARM7 的控制板組成，ARM7 芯片采用的是飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2294 芯片，芯片管腳圖如圖 它的主要作用是對(duì)存儲(chǔ)器，信源與 LED 顯示模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸以及時(shí)序控制。14 / 47圖 LPC2294 芯片管腳圖LPC2X 系列芯片的特性： 1. 16/32 位 64/144 腳 ARM7TDMIS 微控制器。16K 字節(jié)靜態(tài) RAM。 2. 128/256K 字節(jié)片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器（在工作溫度范圍內(nèi)，片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器至少可擦除和寫 10,000 次）。128 位寬度接口/加速器實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60MHz 的操作頻率。 3. 片內(nèi) Boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP ）和在應(yīng)用中編程（ IAP）。Flash 編程時(shí)間：1ms 可編程 512 字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需 400ms。 4. EmbeddedICERT 接口使能斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)前臺(tái)任務(wù)使用片內(nèi) RealMonitor 軟件調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。 5. 嵌入式跟蹤宏單元（ETM）支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤。 6. 8 路（144 腳封裝）10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 。 15 / 477. 2 個(gè)