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分类号 密级 u d c 编号 本科毕业论文(设计)题目 基于arm和cpld的led彩屏显示系统的研究与设计 系 别 专 业 名 称 电子信息科学与技术 年 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 二九年五月文献综述1概述led显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等优点。目前led显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。led显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成在面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。发光二极管(led)是六十年代未发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和p-n结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，led在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即led显示屏。我国在led领域的研究开发工作成绩斐然。目前我国的普绿和高亮度纯红led己经基本实现商品化，但是，高亮度的纯蓝、纯绿led在我国尚属空白。2主题2.1 硬件设计本系统设计的大屏幕led显示系统的控制器采用arm(advanced risc machine)嵌入式微处理器。基于精简指令集(risc)架构的32位微处理器，由于具有硬件设计单纯、成本低廉、省电效益佳等特性，且能满足上网要求，故受到广大用户的青睐，其中领先的是arm嵌入式微处理器系列。目前，采用arm技术知识产权ip(intellectual property)核的微处理器，即我们通常所说的arm微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。arm嵌入式微处理器一般具有如下特点:体积小、低功耗、低成本、高性能;支持thumb(16位)/arm(32位)双指令集，能很好地兼容8位/16位器件;大量使用寄存器，指令执行速度更快;大多数数据操作都在寄存器中完成;寻址方式灵活简单，执行效率高;指令长度固定。到目前为止，arm微处理器及技术的应用己经深入到各个领域，在工业控制领域，基于arm核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，arm微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。cpld(complex programmable logic device)复杂可编程逻辑器件，是从pal和gal器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。cpld主要是由可编程逻辑宏单元(mc，macro cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中mc结构较复杂，并具有复杂的i/o单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于cpld内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。2.2 软件设计arm体系结构支持c/c+以及与汇编语言的混合编程，在一个完整的程序设计中，除了初始化部分用汇编语言完成以外，其主要的编程任务都用c/c+完成，程序在执行时首先完成初始化过程，然后跳转到c/c+程序代码中，汇编程序和c/c+程序之间一般没有参数的传递，也没有频繁的相互调用。基于cpld硬件的开发，max+plus是美国altera公司自行设计的一种ead软件开发工具。它具有原理图输入和文本输入(采用硬件描述语言)两种输入手段。利用该工具所配置的编辑、编译、仿真、综合、芯片编程等功能，将设计电路图或电路描述程序变成基本的逻辑单元写入到可编程的芯片中(如fpag芯片)，制成asic芯片。它是ead设计中不可缺少的一种有用工具，目前在国内使用较为普遍。3总结 嵌入式技术已经广泛应用到各项科学研究之中，本文结合led的开发特点，基于arm和cpld的开发平台，研究彩色led显示系统的设计，具体内容包括以下几个方面：1）系统阐述led工作的原理，研究led发光的特性，从6个方面分析了led驱动电路的设计。2）结合led显示原理，重点从灰度扫描的实现、信息刷新原理、彩色显示屏的校正等6个方面，解析了led现实技术。 3）分别从硬件和软件两个方面，研究了电路以及软件的实现，这两个方面也是论文研究是重点核心。参考文献1 周立功.arm嵌入式系统实验教程.北京航空航天大学出版社，2005.102 用api-232简化串口通信编程，铁道通信信号，2000.43 用通信控件开发windows环境下的串口通信程序，淮北煤师院学报，2000.34 陈爱萍，羊四清，何智勇.电子显示屏的单片机控制系统.自动化与仪表，19995 于慧. 基于arm和cpld的led彩屏显示系统的研究.西北工业大学学报, 2007.36 童星. 基于嵌入式的led点阵显示屏的研究与实现.武汉理工大学，2005.37 王波. 利用可编程逻辑器件设计led显示屏.南京理工大学学报，2002.38 周永清. led大屏幕信息发布技术与应用研究.武汉理工大学学报，2002.39 周立功.arm嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学出版社，2005.110 李志东. led显示屏控制系统及驱动程序的研究与设计.吉林大学学报，2005.5 摘要：随着科技的日益进步，基于led现实屏的研究也越来越深，同时，人们的生活水平也越来越高，这样，也对led方面就提出了更高的要求。用led器件组成电子显示屏，不但色彩绚丽而且其制作尺寸几乎不受限制，可以达到几十甚至几百平方米以上，可应用于室内外各种公共场合显示文字、图形、图像、动画、视频图像等信息，具有较强的广告渲染力和震撼力，美化和丰富了人们的生活环境。传统led显示系统的控制以单片机为核心，功能较为简单，当需要进行数据处理时，单片机的处理能力就更显不足，不能满足led显示屏发展的需要。本文将介绍一种基于arm和cpld控制平台的led全彩色显示屏控制系统。论文首先介绍了led显示技术和系现实原理，然后从硬件和软件两个方面，分别详细介绍了系统硬件的设计和软件的设计，最终实现预期功能。关键词: 单片机 arm cpld led 灰度abstract: with the increasing progress of science and technology, based on the led screen reality more and more deep study, at the same time, peoples living standards have become more sophisticated, so that led is also on a higher demand. composed of electronic devices with led displays, not only colorful and attractive but also produced virtually unlimited size, can reach tens or even hundreds of square meters, can be applied to a variety of indoor and outdoor public display text, graphics, images, animation, video images and other information, the ad has a strong and powerful rendering, landscaping and rich peoples living environment. traditional led display system to control the single-chip microcomputer as the core function of relatively simple, when the need for data processing, the single-chip processing power is even more inadequate, can not meet the needs of the development of led display. this article will introduce an arm and cpld-based control platform, full-color led display control system. paper introduces the led display technology and the department of the reality principle, and then from the two aspects of hardware and software, respectively, described in detail the design of system hardware and software design, and ultimately to achieve the desired function. key words: single-chip microcomputer, arm, cpld, led, gray目 录1 绪论11.1 led大屏幕的研究现状11.2 led大屏幕的发展趋势11.3 论文研究的内容22 led显示屏的工作原理32.1 led工作原理32.1.1 简述32.1.2 led发光的基本原理42.2 led器件的驱动原理52.2.1直流驱动52.2.2恒流驱动52.2.3脉冲驱动52.2.4 扫描驱动63 led显示技术的发展和基本原理73.1 led显示技术的发展历史73.2 led显示技术的基本原理83.2.1灰度扫描的实现83.2.2 信息刷新原理93.2.3扫描控制电路总体说明93.2.4 彩色显示屏的校正103.2.5显示屏均匀性的改造123.2.6 亮度控制器模块134 led彩屏显示系统的硬件设计134.1 arm芯片简介及硬件电路设计134.1.1 arm芯片简介134.1.2 arm的硬件电路设计154.2 cpld技术简介及硬件电路设计204.2.1 cpld技术简介204.2.2 cpld的硬件电路设计215 led彩屏显示系统的软件设计215.1 arm的软件设计215.1.1 arm汇编语言的程序结构215.1.2基于arm的系统初始化过程225.2扫描驱动电路的cpld软件设计235.2.1 altera可编程程逻辑器件开发软件介绍235.2.2 利用vhdl语言实现显示控制246 仿真效果及结论256.1 仿真效果256.2 结论26参考文献27致 谢281 绪论1.1 led大屏幕的研究现状随着新材料及半导体工业技术的发展，自1994年起以新型可见光材料ingaalp和ingan为主流，实现了高亮度，多色化，加之封装技术的改进，显示信息大型化，出现了led产品新的应用领域，能在阳光强烈的场合下清晰显示，发光效率极高，光强超过1000mcd，同时满足了全彩色显示和便携产品低功耗要求。led显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等优点。目前led显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。随着社会经济的不断进步，以及led显示技术的不断完善，人们对led显示屏的认识将越来越深入，其应用领域将会越来越广。由于led在人们日常生活中的应用越来越广泛，它涉及到人们生活的方方面面，比如机场航班、港口、车站、证券交易、金融信息显示、道路交通信息显示、室外产品广告及信息发布等等。可见，人们的生活也日益离不开led，因此，人们对其要求也越来越高。随着嵌入式技术的迅猛发展，基于led显示屏的研究范围也日趋广泛。随着社会经济的不断进步，以及led显示技术的不断完善，人们对led显示屏的认识将越来越深入，其应用领域将会越来越广。目前，我国基于led研究现状是，我国在led领域的研究开发工作成绩斐然。目前我国的普绿和高亮度纯红led己经基本实现商品化，但是，高亮度的纯蓝、纯绿led在我国尚属空白。1.2 led大屏幕的发展趋势目前led电子显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀性、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行，操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，led显示屏作为平板显示的主导产品之一将有更大的发展。(1)高亮度、全彩化蓝色及绿色超高亮度led产品出现以来，成本逐年快速降低，使led全彩色显示屏产品成本下降，推广速度加快。同时，随着控制技术的发展和屏体稳定性的提高，使全彩色led显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求。(2)标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后，led显示屏的标准化和规范化将成为led显示屏发展的一个趋势。近几年业内的发展中，几番价格回落调整达到基本均衡后，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对led显示屏的标准化和规范化有了较高的要求。行业规范和标准体系的形成，使led显示屏行业的发展趋于有序。(3)产品结构多样化随着信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，led显示屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型led显示屏为主流产品的局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型led显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的l印显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统led显示屏在led显示屏市场总量中将会占有多数份额。总之，在led大屏幕材料研制方面，单色、多色led点阵模块产品已经很成熟，目前的发展方向为全彩色led显示屏;在产品方面，led大屏幕朝标准化、大型化和小型化的方向发展。1.3 论文研究的内容以前，人们应用的led显示屏的范围比较宰，led研究也还处于起步阶段，嵌入式芯片主要是基于8位机的开发，功能也比较单一。随着大屏幕显示技术的发展进步，需要处理的数据量大大增加，系统的频率越来越高，系统的规模越来越大，对显示控制系统的要求就不断提高。以前的led大屏幕显示系统用中小规模集成电路实现，系统体积较大、调试困难、不易修改。随着半导体技术的进一步发展及大规模集成电路的广泛应用，可编程逻辑器件来完成电路功能，不仅能够满足led大屏幕系统高速图像数据传输对速度的要求，改善了电路性能，而且增加了电路设计的灵活性，设计中可以根据实际应用的需求灵活修改相应硬件描述语言程序，而不需要修改电路硬件设计，缩短了设计周期，降低了成本。同时，采用基于arm核的新一代32位微处理器，解决了系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题，可以支持更大可视区域的稳定显示，可以存储更多的显示内容。基于以上优点，本文将采用arm和cpld相结合的方法来共同完成led彩屏的显示系统设计，功能包括：1） 该显示屏控制器必须支持一般显示屏所需的与上位机实时通讯和全部显示功能，如左移、上移、下移、左卷帘、右卷帘、左百叶窗、右百叶窗等功能。显示的内容包括实时时间、日期、汉字公告以及视频动画等。2）实现上位机和下位机的通讯和同步，使其通过上位机对led显示屏包括诸如显示内容、显示方式、中文图形字库和控制软件进行在线更新升级的远程控制。3）按设定的显示效果显示图像(如:左右移动，上下移动，收缩显示，雪花显示，单字显示等)，可以设定并显示时间(年/月/日，时/分/秒)，可以显示环境温度，能够向led屏发出色彩和灰度控制信号及行列控制信号等。4）实现对彩色led的亮度、灰度的控制和调节。2 led显示屏的工作原理2.1 led工作原理2.1.1 简述led(lighting emitting diode)即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出光。led作为一种发光器件，是大屏幕显示系统的首选器件。其主要特点是:1.寿命长:固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命长达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上，降低维修率和维修成本。2.高节能:节能能源无污染极为环保。直流驱动，超低功耗(单管0.03一0.06瓦)电光功率转换接近100%，比管灯和霓虹灯更加节能，是超节能产品。3.利环保:光色纯，光线质量高，光谱中没有红外线和紫外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。4.多变幻:led光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使用三种颜色具有256级灰度并任意混合，从而形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。5.高新尖:与传统光源单调的发光效果相比，led光源市低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。2.1.2 led发光的基本原理发光二极管(lighting emitting diode)，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流如图2-1所示通过它的时候，可以产生可视的光。图2-1 二极管工作原理发光二极管的结构主要由pn结芯片、电极和光学系统构成。我们知道，发光是一种能量转化现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态;当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在pn结上加以正向电压之后，p区的空穴注入至n区，n区的电子注入至p区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。2.2 led器件的驱动原理从led器件的特性可知道，当向led器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此led的驱动就是如何使它的pn结处于正偏置，而且为了控制(调节)它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等。2.2.1直流驱动直流驱动是最简单的驱动方法，就是通过稳定电源，经限流电阻为发光二极管led提供电流的方法。连接时令led的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。这种驱动方式虽然简单，但是不能在led显示屏上使用。这是由于led正向特性陡峭，加上元件参数的分散性，即使相同的电源，相同的限流电阻，每个led的正向电流也不尽相同，导致led器件的发光强度不同，亮度不均，而且这种方法不易调节每个led器件的亮度，所以无法标识图像信息。2.2.2恒流驱动恒流驱动基本上克服了器件分散性的影响。由于三极管的输出特性具有恒流性质，所以可以采用晶体管驱动led。led的导通电流，与led无关，取决于外参数。led管得正向电流是:if=ic=ie=(vb-vbe)/re其中，vb为外加基极电压，vbe为基极一发射极电压。由于三极管vbe的分散性比放大倍数的分散性要小，所以各led器件的正向电流在其vb与re相同的情况下，基本上可以保证是一致的。2.2.3脉冲驱动利用人眼的视觉暂留特性，采用向比d器件重复通断供电的方法使之点燃，就是通常所说的脉冲方式。采用这种方式时应该注意两个问题:脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值h就应该与直流驱动的电流值相同。如图2-2所示，平均电流ia是瞬时电流i的时间积分。 电阻 i t ton toff if iu t 脉冲电源电阻图2-2 led脉冲驱动电流其中ton/t就是占空比的一种描述，为了使脉冲驱动方式下的平均电流i，与直流驱动电流工。相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足if=(t/ton)ia=(t/ton) i可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大t/ton倍。其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性的分析，己经知道脉冲重复频率必须高24hz，否则会产生闪烁现象。脉冲驱动的主要应用有两个方面:扫描驱动和占空比驱动。2.2.4 扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干led器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。比d显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控