【正文】 、尋址范圍、外圍接口資源等諸多限制，已難以在要求顯示較多像素、顯示內(nèi)容幀頻較高、動態(tài)顯示效果復(fù)雜的情況下得到良好的動態(tài)視覺效果。I / 47基于ARM的LED顯示屏的控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)摘 要近年來 ，LED(light emiting diode，發(fā)光二極管)顯示屏作為一種高科技產(chǎn)品日益引起人們的重視。它可以實時顯示或循環(huán)播放文字、圖形和圖像信息，具有顯示方式豐富、觀賞性強、顯示內(nèi)容修改方便、亮度高、顯示穩(wěn)定且壽命長等多種優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)廣告、體育比賽、集中在控制器中。針對以上情況，本文研究開發(fā)了一種全新的，由32位高性能ARM微處理器組成的LED顯示屏控制系統(tǒng)，就控制平臺、硬件結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)實現(xiàn)給出了驅(qū)動部分和控制部分的詳細分析與設(shè)計。 伴隨社會信息化進程的推進，LED 顯示屏技術(shù)也在不斷地推陳出新，應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣闊。我國LED顯示屏產(chǎn)業(yè)自90年代以來，到目前中國LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。其中130 家企業(yè)加入了中國光學光電子行業(yè)協(xié)會LED 顯示屏分會，年度銷售總額占全國同行業(yè)的80% 以上。大型制造商的市場范圍幾乎覆蓋了整個中國。早在90年代初，國產(chǎn)的LED顯示屏就具備了成熟的16級灰度256色視頻控制技術(shù)和無線遙控等，代表了當時的國際先進技術(shù)水平。在LED顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路方面，國內(nèi)企業(yè)也有開發(fā)生產(chǎn)并得到了實際應(yīng)用。高亮度、全彩化藍色及純綠色LED 產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件。目前國際上LED[1]2 / 47紅管的單價急劇下跌，純綠管逐漸大批量生產(chǎn)，顯示屏屏體價格會逐步降低；同時，隨著控制技術(shù)的發(fā)展和屏體穩(wěn)定性的提高，使顯示屏的質(zhì)量也較過去為佳。LED產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預(yù)計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色LED顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產(chǎn)品。國內(nèi)從1991995 年開始生產(chǎn)全彩色顯示屏，到2022年底，全國范圍內(nèi)的全彩色LED顯示屏達到 300多塊。標準化、規(guī)范化材料、技術(shù)的成熟及市場價格的基本均衡之后，LED顯示屏的標準化和規(guī)范化將成為一個新趨勢。1999年，中國光協(xié)光電器件分會LED 顯示屏專業(yè)委員會在昆明組織起草了《LED 顯示屏檢測方法》 ，經(jīng)修改后，于2022年8月正式印發(fā)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化信息化社會的形成, 信息領(lǐng)域愈加廣泛, 顯示屏的應(yīng)用前景更為廣闊。 [2]3 / 47 LED 顯示屏控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢LED 顯示屏具有發(fā)光亮度高，色彩鮮艷，壽命長等優(yōu)點，自上世紀 80 年代問世以來便引起了人們的廣泛關(guān)注，并逐步發(fā)展成為一個技術(shù)全面的產(chǎn)業(yè)。這期間主要經(jīng)歷了兩個階段，分別是：基于單片機的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)，基于 ARM+FPGA/CPLD 的 SOPC 片上系統(tǒng)的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)。 基于單片機的 LED 顯示屏控制系統(tǒng) LED 顯示屏的單片機控制系統(tǒng)是將微處理器，存儲器，輸入輸出設(shè)備集成在一塊PCB 板上來實現(xiàn)對 LED 顯示屏的驅(qū)動、掃描、存儲等控制，這種方式的控制系統(tǒng)在八十年代后期起一直到現(xiàn)在都是 LED 顯示屏控制系統(tǒng)的主流方式，技術(shù)相當成熟，能很好的適應(yīng)公眾場合的信息顯示。第二種，基于 ARM 的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)。但是，由于LED 顯示屏控制較復(fù)雜，特別是對于顯示特殊效果，如循環(huán)移動、覆蓋、霓虹燈效果，要求處理器運算速度快、執(zhí)行效率高，51 系列單片機是 8 位機且硬件資源受限制漸漸不能適應(yīng)這種高質(zhì)量，大容量數(shù)據(jù)的顯示，ARM 處理器是 32 位機，各種硬件資源相當豐富，因此在實踐應(yīng)用中逐漸有取代 51 系列單片機的趨勢。隨著 IP 核的興 在一個 SOC 設(shè)計中，將涵蓋到包括微處理器、DSP 芯片、存儲器件、通用 I/O、控制邏輯、混合信號模塊等在內(nèi)的許多部分。如今將 FPGA 及微處理器的核心嵌在同一芯片上，構(gòu)成一個可編程的 SOC 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，即所謂的可編程片上系統(tǒng)SOPC(SystemonaProgrammableChip)，這為系統(tǒng)設(shè)計者提供了一種靈活快捷的設(shè)計方法和途徑。目前的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)多采用的是 DSP 或 ARM 加可編程器件的硬件結(jié)構(gòu)。采用基于 Nios Ⅱ處理器的 SOPC 設(shè)計方案，數(shù)據(jù)的處理速度以及掃描頻率更快，各個功能模塊的集成度提高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 FLASH 用來存儲系統(tǒng)程序和顯示數(shù)據(jù)。USB 主要用于更新顯示信息。專家預(yù)言，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)將是 21 世紀最大、最活躍的高科技產(chǎn)業(yè)之一，在經(jīng)濟競爭及國家安全方面具有極其重要的意義。LED 不依靠燈絲發(fā)熱獲取光源，能量轉(zhuǎn)化效率高，理論上只有白熾燈能耗的 10％、熒光燈能耗的 50％。但目前 LED 照明應(yīng)用還存在著光效低、壽命相對短、自動化產(chǎn)量低、成本高等問題，各國都亟待有新的突破。我國自產(chǎn)的 LED 芯片 ,外延片產(chǎn)量仍有限 ,其產(chǎn)品以中、低檔為主,產(chǎn)業(yè)化規(guī)模偏小,只能滿足國內(nèi)封裝企業(yè)需求量的 20%～30%,大部分高性能 LED 和功率 LED 產(chǎn)品均要依賴進口。因此，加大對 LED 應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)力度,具備自身核心技術(shù)并實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)是 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最關(guān)鍵一步。改革開放前，城市化水平不足 19%，目前已經(jīng)發(fā)展到超過 30%，預(yù)測 2022 年將接近 50%；機動車擁有量目前已達 6000 萬輛，并以每年 10%以上的速度增長，預(yù)計 2022 年達到 億多輛；中國城市交通的特點是混合交通；改革開放以來，中國道路交通設(shè)施及管理設(shè)施雖然有較大改觀，但跟不上機動車增長速度。交通管理設(shè)施缺乏，管理水平不高。而本設(shè)計正是基于這種思考，以設(shè)計一套公交 LED 顯示屏控制系統(tǒng)來實現(xiàn)以下目標：當公交車到達某一個車站時，將通過 GPRS 接收所到站點信息資料，并且自動在 LED 顯示屏上顯示出來，方便乘客了解該站的基本信息，通過 ARM7 處理器控制。 本論文的主要內(nèi)容第一章：緒論。第二章：LED 顯示系統(tǒng)的基本原理。第三章：基于ARM的LED顯示屏控制系統(tǒng)的整體設(shè)計。第四章：顯示屏控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。第五章：顯示屏控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第六章：結(jié)束語。LED 點陣顯示是把很多的 LED 按矩陣方式排列在一起，通過對各 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 點數(shù)越多顯示的文字或圖像就會越清晰。一般的 LED 屏是由一個個小模塊組成的，常見的有 8*8 矩陣模塊等，通過將這些模塊級聯(lián)就會得到所需大小的 LED 顯示屏。靜態(tài)顯示每一個像素需要一套驅(qū)動電路，如果顯示屏為 nm 個像素，則需要 nm 套驅(qū)動電路；動態(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 個像素需一套驅(qū)動電路， nm 個像素僅需 nm ／ P 套驅(qū)動電路。在實際使用的 LED 大屏幕顯示器中，很少采用靜態(tài)驅(qū)動。在實際應(yīng)用中，往往需要調(diào)節(jié)LED 器件的發(fā)光強度，通常我們是通過調(diào)節(jié)流經(jīng) LED 器件的電流的平均時間來實現(xiàn)的。(1) 脈沖驅(qū)動所謂脈沖驅(qū)動方式，就是利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，以脈沖的方式對 LED 器件進行供電，使之間歇性地點亮。首先，脈沖電流幅值的選擇，當脈沖驅(qū)動的平均值與直流驅(qū)動的電流值相等時，我們?nèi)搜鄣母杏X是相同的，也就是說兩者的發(fā)光強度相當。(2)掃描驅(qū)動掃描驅(qū)動是通過數(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)動電路。在掃描驅(qū)動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)該點亮，某一列的 LED 器件是否應(yīng)該點亮，由所謂的列控制電路來負責。這是最簡單的驅(qū)動方式，只要對 LED 直接通以直流電即可。而光效差不多的白熾燈可見光效率僅為 10%20%。：單體功率一般在 ，通過集群方式可以量體裁衣地滿足不同的需要，浪費很少。：光通量衰減到 70%的標準壽命是 10 萬小時。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。的視角，可以顯示各種文字、數(shù)位、彩色圖像及動畫資訊，也可以播放電視、錄影、VCD、DVD 等彩色視頻信號，多幅顯示幕還可以進行聯(lián)網(wǎng)播出。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。 基于 ARM 的控制板一般來說，對于小屏幕的 LED 顯示屏的控制都是采用 51 系列單片機作為主控芯片?？偩€驅(qū)動器本身并不對上位機發(fā)過來的信號進行任何的改變，只是將這些信號傳遞到下一級，并對其提供足夠的驅(qū)動電流。行控制一般采用譯碼器電路如 4/16 譯碼器 74HC154 ,控制信號經(jīng)譯碼后選中需要點亮的行。該方案的優(yōu)點主要有：該方案結(jié)構(gòu)簡單，使用的器件常見且便宜，設(shè)計成本低廉；編程簡單，調(diào)試方便。對與大屏幕的顯示，由于大型 LED 屏幕的點陣規(guī)模極其龐大，所以采用低端單片機控制，用移位寄存器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行轉(zhuǎn)并行的方法遠不能滿足需求。基于這種方式的控制系統(tǒng)能很好的滿足設(shè)計要求，如圖 所示。系統(tǒng)的重點是顯示控制電路，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，控制信號的發(fā)送產(chǎn)生以及對 LED 顯示屏的動態(tài)掃描控制，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信號控制部分采用 ARM 實現(xiàn)，而 LED顯示屏的掃描驅(qū)動電路采用 CPLD 來完成。LED 顯示屏在顯示控制電路的作用下，主要完成以下功能:按照上位機設(shè)定的顯示效果顯示圖像和文字。同時，采用基于 ARM 核的 32 位微處理器，解決了系統(tǒng)的運行速度、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，可以存儲更多的顯示內(nèi)容。同時缺點如下：系統(tǒng)設(shè)計比較復(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。此方案的優(yōu)點是：這種設(shè)計方案大大節(jié)省了 CPU 的端口資源，有效簡化了顯示屏的電路結(jié)構(gòu)，提高了整個顯示系統(tǒng)的可靠性。 串口通信協(xié)議 串口是計算機上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議，本設(shè)計中需要從上位PC機向控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，因此采用串口通信。EIA RS232C是目前最常用的串行接口標準，它是在 1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、 調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于半雙工串行通訊的標準。該標準的目的是定義數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的電氣性。 它具有以下特點： （1）接口的電氣特性：在RS232C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。噪聲容限為2V 。 （3） RS232C 接口連接器一般使用型號為 DB9 插頭座 ,通常插頭在 DCE 端 ,插座在 DTE 端。一般設(shè)備與 PC 機連接的 RS232 接口 ，因為不使用對方的傳送控制信號 ， 只需三條接口線，即 “發(fā)送數(shù)據(jù) TXD”、 接收數(shù)據(jù) RXD和 信號地 GND。 ARM 的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 整體思路本課題是智能公交系統(tǒng)的一個組成部分，主要完成信息的顯示與控制，具體就是[9]13 / 47設(shè)計實現(xiàn)公交信息屏，信息屏選用 LED 顯示子塊（8*8）級聯(lián)結(jié)構(gòu)。本課題的具體功能主要是對上級系統(tǒng)送過來的顯示信息進行存儲，處理，控制，與顯示。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。 2. 128/256K 字節(jié)片內(nèi) Flash 程序存儲器（在工作溫度范圍內(nèi)，片內(nèi) Flash 存儲器至少可擦除和寫 10,000 次）。 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）。 4. EmbeddedICERT 接口使能斷點和觀察點。 5. 嵌入式跟蹤宏單元（ETM）支持對執(zhí)行代碼進行無干擾的高速實時跟蹤。 15 / 477. 2 個 32 位定時器（帶 4 路捕獲和 4 路比較通道）、PWM 單元（6 路輸出）、實時時鐘和看門狗。 9. 通過片內(nèi) PLL 可實現(xiàn)最大為 60MHz 的 CPU 操作頻率?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。 13. 片內(nèi)晶振頻率范圍：1~30 MHz。 14. 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 串口通信模塊模塊一采用RS232 通信接口，主要功能是接收上級（信源）發(fā)送過來所要顯示的信息。本設(shè)計采用MAXIM公司生產(chǎn)MAX232作為RS232收發(fā)器接口芯片。該接口占用 ARM7的兩個引腳，分別是RXD0和TXD0 。該口有許多配套使用的控制寄存器，有兩個寄存器用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，它們是U0RBR和U0THR。它包含了最早接收到的字符，可通過總線接口讀出。它包含了Tx FIFO中最新的字符，可通過總線接口寫入。引腳 定義 符號1 載波檢測 DCD 6 數(shù)據(jù)準備好 DSR2 接收數(shù)據(jù) RXD 7 請求發(fā)送 RTS3 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 8 清除發(fā)送 CTS4 數(shù)據(jù)終端準備好 DTR 9 振鈴提示 RI5 信號地 SG [9]17 / 47 LED 顯示模塊LED 顯示模塊是由 LED 顯示屏與相應(yīng)的 LED 控制電路兩部分組成。本系統(tǒng)