毕业设计（论文）-基于ARM和CPLD的LED彩屏显示系统的研究与设计1.doc

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 二00九年五月文献综述1概述温度是工业生产中最基本的测量参数之一，任何化学反应和物理变化的进程都与温度密切相关，在各领域中温度控制占有重要的比例。而我们作为一个电子工程师，能做出好的实用的温控电路是非常重要。就目前来说，温度控制及显示电路由电源电路、信号采集电路、a/d转换及显示电路和报警电路四个模块组成。因此此电路比较复杂，所以我们采用层次电路的设计思想，即模块化的设计，来绘制总的原理图。温控系统又是自动控制技术、计算机技术、电子技术和通信技术的有机结合，综合发展的产物。其内容十分丰富，它包括各种数据的采集和处理系统、自动测量系统、生产过程自动控制系统等，广泛应用于工厂自动化、商业自动化、实验室自动化等人类活动的各个领域。正因为使用这么广泛，所以现在人们对温度控制提出了更多更高的要求，因此提高系统抗干扰能力和精准度成为关键性的技术。加工难度变得越发复杂。而我们应用protel dxp设计温控电路图，它的智能化以及信号仿真等许多功能将大量步骤简化，无论是对于再进行电路板规划、元器件的选择、布局和连线，构成了制版，还是为了测试设计结果还需要电路仿真分析，都很方便快捷，并且数据准确。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，2005.037 王波. 利用可编程逻辑器件设计led显示屏.南京理工大学，2002.038 周永清. led大屏幕信息发布技术与应用研究.武汉理工大学，2002.039 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 张敏，任琼.led显示屏几种控制电路及比较j.江汉大学学报，200111 林振华.用vhdl和有限状态机设计vr胡控制器j.电子技术，2001 14 用activex控件实现对计算机串口的通信管理，合肥工业大学学报(自然科学版)，2000年6月12 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，2005.05 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 录第1章 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2第2章led显示屏的工作原理42.1 led工作原理42.1.1 简述42.1.2 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62.2.3脉冲驱动62.2.4 扫描驱动7第3章led显示技术的发展和基本原理83.1 led显示技术的发展历史83.2 led显示技术的基本原理93.2.1灰度扫描的实现93.2.2 信息刷新原理93.2.3扫描控制电路总体说明103.2.4 彩色显示屏的校正113.2.5显示屏均匀性的改造133.2.6 亮度控制器模块13第4章 led彩屏显示系统的硬件设计154.1 arm芯片简介及硬件电路设计154.4.1 arm芯片简介154.1.2 arm的硬件电路设计164.2 cpld技术简介及硬件电路设计214.2.1 cpld技术简介214.2.2 cpld的硬件电路设计22第5章 led彩屏显示系统的软件设计235.1 arm的软件设计235.1.1 arm汇编语言的程序结构235.1.2基于arm的系统初始化过程235.2扫描驱动电路的cpld软件设计255.2.1 altera可编程程逻辑器件开发软件介绍255.2.2 利用vhdl语言实现显示控制25第6章 仿真效果及结论276.1 仿真效果276.2 结论28参考文献29第1章 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。第2章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2一1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，按列控制;也可以按列扫描，按行控制。所谓“扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的led器件，而不问这一行的哪一列的led器件是否应该点亮，某一列的led器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来负责。本课题采用按行扫描按列控制的方式。图2-3所示为一个m行n列结构的led显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从h1到枷轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的led器件接通正电源，但具体哪一个led导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作。例如在led显示屏上需要ledll熄灭，led21点亮，那么当扫描到hl行时，l1列的电位就应该为高;当扫描到h2行时，l1列的电位就应该为低。 图2-3 行扫描列控制原理级波形图第3章led显示技术的发展和基本原理在20世纪，crt（阴极射线管）在图像显示设备中占了绝对统治地位，如电视机、显示器等绝大多数都采用crt。从20世纪中叶，液晶、led、pdp等平板显示器开始飞速地发展。其中，液晶显示器不但在中小屏幕显示中代替了crt，而且也快速地进入了计算机显示领域；而led显示屏则逐渐在超大屏幕图像显示领域发挥了其自身的技术特点，应用于各类大型的公共场所，如火车站、大型广场和体育中心。可以说led显示技术的发展带来了大型平板显示技术的又一次革命。3.1 led显示技术的发展历史高亮度led的出现具有划时代意义，最早研制的led只能发出红色的光，用于电子设备中的指示灯。如今，led已能发出红色、黄色、蓝色、绿色、橙色、琥珀色、蓝绿双色、红绿双色、黄绿色、纯绿色、翠绿色、白色等各种光束。在我国各大城市，已经到处可见led的眩目光彩，led正在改变我们的生活和工作环境。半导体技术在引发微电子革命之后，正在孕育一场新的产业革命照明革命。led已成为信息时代的闪亮标志，将逐步取代白炽灯和荧光灯等传统照明技术。led有很多突出的优点：除了寿命长、耗能低之外，led应用非常灵活，可以做成点、线、面等各种形式的轻薄短小产品；环保效益好，由于光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量也没有辐射，属于典型的绿色照明光源，而且废弃物可回收，没有污染；控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化很多，利用时序控制电路，可以达到丰富多彩的动态变化效果。led不仅可用于大型广告显示屏，还可以用于建筑和交通照明。led作为城市重点建筑的夜景照明，在勾勒轮廓上可以大显身手，能够模拟任何色彩，能源的损耗和维护费用也大大降低。由于体积小，led适合制作成线条灯具。led作成地灯，可指示方向、步行道和车道，安全可靠、经久耐用。以往，在城市的夜空中，最妖娆的也许就数霓虹灯了，但是由于霓虹灯最容易损坏，我们常常看到，霓虹灯显示的画面和文字总是“缺胳膊掉腿”。如果采用led取代霓虹灯作为显示标志，不仅可以避免残缺不全的遗憾，而且可以随心所欲地使用。随着大规模集成电路和计算机技术的不断进步，led显示屏正在迅速崛起，作为新一代显示媒体。led已成为现代城市一道靓丽的风景线，广泛应用于各种公共场合。有机led显示屏的单个元素反应速度是lcd液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。在现代都市中大功率气体放电灯、泛光照明、霓虹灯、灯箱广告等光源所产生的光污染，已经对人类、自然环境以及天文观察造成严重危害。21世纪，解决光污染是照明技术急待突破的课题，led应运而生，前途无量。未来照明市场的争夺战已经展开。我国拥有巨大的照明工业和照明市场，在半导体发光器件领域，我国与世界先进水平差距较小，我国自主研制的第一个led比世界上第一个led仅仅晚几个月，整体技术水平也只比发达国家相差3年左右。为了适应高速增长的市场需求，我国已将led分别列为31项国家鼓励发展的电子产品和20种鼓励外商投资的电子产品和技术之一。3.2 led显示技术的基本原理3.2.1灰度扫描的实现灰度扫描实现的关键在于产生由“0”和“1”组成的串行数据流。从图像处理模块输出的数据信息为并行数据，它包括图像分离的r、g、b三基色数据。但这些数据不能直接用于led扫描显示，必须经过时序译码，才能转换为含有灰度信息的由“0”和“1”组成的编码序列，以供扫描显示使用。在高速动态显示时，led的发光亮度与其在扫描周期内的发光时间成正比，所以灰度等级的实现由控制led的发光时间与扫描周期的比值（即占空比）的办法来实现。假设每帧周期为s，采用8行扫描方式，则每行总选通时间为s/8。将每周期内led的总发光时间依次调节为0、1s（/816）、2s（/816）、15s/（816），这样就将led的发光时间分为16个等级，即实现了16级灰度。3.2.2 信息刷新原理根据实现数据刷新的原理不同，led显示屏刷新方式可分为锁存型和扫描型两种类型。1、锁存型锁存型指显示屏上每一个led都对应于一个驱动寄存器，即驱动器不需要时分工作，每一个led的亮度占空比均为100%。这样避免了led在超额电流状态下工作。过去使用常规驱动ic，设计非常复杂而且成本较高。现在超大规模led功能驱动ic出现后，不但设计简单，成本也大幅度降低。室外屏大多为锁存型。2、扫描型扫描型指显示屏上4行、8行或16行led共用一个驱动寄存器，常称为4循环、8循环或16循环。在这种系统中，屏幕灰度信息的刷新是靠驱动寄存器时分工作实现的。只要屏幕的刷新频率在50hz以上，人眼就不会感到闪烁。因为驱动寄存器的时分工作，使每一个led的亮度占空比减小，所以导致led亮度降低。为了提高显示屏亮度往往使led在超额电流状态下工作。扫描型驱动电路设计比较简单、成本低，较多应用于室内显示屏的设计。3.2.3扫描控制电路总体说明因为led大屏幕显示是高速连续进行的，特别在播放视频信号时，不但要求实时完成图像的高速扫描，还要接收新的数据，以便更新屏幕。这就要求系统中必须要有高速数据缓存处理电路，以防止在扫描过程中丢失数据。所以本系统中led大屏幕显示的高速数据缓存模块采取双总线结构的存储电路。如图3-1所示，a、b两组帧存储器分别交替工作于图像高速扫描和图像数据接收缓存两种方式。当a帧存储器用于图像的扫描时，b帧存储器用于图像数据接收和缓存；反之，当a帧存储器用于图像的接收和缓存时，b帧存储器用于图像的扫描显示。从显示控制模块传来的数据为并行数据，而led显示屏所需的是含有像素点灰度信息的串行数据流。这就要求有灰度译码，将4bit并行数据转换为16个有灰度信息的串行数据序列。由于a、b两组存储器交替使用，要求在接收一帧并行数据的时间内把译码后的16bit串行数据流送往led屏。串行数据流速率是并行数据速率的16倍，所以系统选用高速静态sram以满足要求。图3-1 双总线结构的主从扫描存储原理3.2.4 彩色显示屏的校正几乎所有的crt显示设备、摄影胶片和许多电子照相机的光电转换特性都是非线性的。但这些非线性部件都有一个能够反映各自特性的幂函数，它的一般形式是：y= 输出式中的（gamma）是幂函数的指数，它用来衡量非线性部件的转换特性。这种特性称为幂-律（power-law）转换特性。按照惯例，“输入”和“输出”都缩放到01之间。其中，0表示黑电平，1表示颜色分量的最高电平。对于特定的部件，人们可以度量它的输入与输出之间的函数关系，从而找出值。实际的图像系统是由多个部件组成的，这些部件中可能会有几个非线性部件。如果所有部件都有幂函数的转换特性，那么整个系统的传递函数就是一个幂函数，它的指数等于所有单个部件的的乘积。如果图像系统的整个1，输出与输入就成线性关系。这就意味在重现图像中任何两个图像区域的强度之比率与原始场景的两个区域的强度之比率相同，这似乎是图像系统所追求的目标：真实地再现原始场景。但实际情况却不完全是这样。 当这种再生图像在“明亮环境”下，也就是在其他白色物体的亮度与图像中白色部分的亮度几乎相同的环境下观看时，1的系统的确可使图像看起来像“原始场景”一样。但是某些图像有时在“黑暗环境”下观看所获得的效果会更好，放映电影和投影幻灯片就属于这种情况。在这种情况下，值不是等于1而通常认为1.5，人的视角系统所看到的场景就好像是“原始场景”。根据这种观点，投影幻灯片的值就设计为1.5左右，而不是1。还有一种环境称为中间环境的“暗淡环境”，这种环境就像房间中的其他东西能够看到，但比图像中白色部分的亮度更暗。看电视的环境和计算机房的环境就属于这种情况。在这种情况下，通常认为再现图像需要1.25才能看起来像“原始场景”。所有crt显示设备都有幂-律转换特性，如果生产厂家不加说明，那么它的值大约等于2.5。用户对发光的磷光材料的特性可能无能为力去改变，因而也很难改变它的值。为使整个系统的值接近于使用所要求的值，起码就要有一个能够提供校正的非线性部件，用来补偿crt的非线性特性。在所有广播电视系统中，校正是在摄像机中完成的。最初的ntsc电视标准需要摄像机具有1/2.20.45的幂函数，现在采纳0.5的幂函数。pal和secam电视标准指定摄像机需要具有1/2.50.4的幂函数，但这个数值已显得太小，因此实际的摄像机很可能会设置成0.45或者0.5。使用这种摄像机得到的图像就预先做了校正，在2.5的crt屏幕上显示图像时，屏幕图像相对于原始场景的大约等于1.25。这个值适合“暗淡环境”下观看。 过去的时代是“模拟时代”，而今已进入“数字时代”，进入计算机的电视图像依然带有0.5的校正。虽然带有值的电视在数字时代工作得很好，尤其是在特定环境下创建的图像在相同环境下工作，可是在其他环境下工作时，往往会使显示的图像让人看起来显得太亮或者太暗，因此在可能条件下就要做校正。在什么地方做校正是人们所关心的问题。从获取图像、存储成图像文件、读出图像文件直到在某种类型的显示屏幕上显示图像，这些个环节中至少有5个地方可有非线性转换函数存在并引入值。对于crt，图像亮度b与图像信号e之间的变换为非线性，即b=，约为2.5。为了克服低照度段图像偏暗的缺点，图像传输系统进行了预补偿办法，即校正。按b=，即b=对发送的图像信号进行预校正。在led彩色显示屏系统设计中，使用校正处理技术，对颜色信号分别进行校正，不但不损失灰度层次，还可以使全彩色显示屏图像更鲜艳、更逼真，更清晰。我们还可以在显示屏数据显示之前进行二次非线性校正，通过查表法的方法实现特定的数字信号处理算法，这样可以使led显示屏达到更好的显示效果，加快数据处理速度，提高图像的刷新频率，可以有效的防止图像的闪烁。3.2.5显示屏均匀性的改造led显示屏的广泛应用与高速发展也对led显示屏的控制系统提出了更高的要求，尤其是用图像处理的方法解决发光二极管本身的工艺缺陷。显示屏均匀性的改造可以解决像素点之间由于led本身的物理因素产生的光强差异，使显示屏的整体视觉效果大幅度提高。由于时间有限，在本次项目中并没有涉及这方面的内容，仅在此做简单介绍。1、产生原因led在制造过程中由于材料厚度、组成成分和掺杂均匀性等方面的差异；由于退火和蒸发材料时不均匀性等诸因素都会严重影响led的法向光强iv、正向压vf和波长等参数。因此同一批led产品光强最大值与最小值之比rl可达三倍以上。2、解决方法亮度不均匀性指像素间光强不匀和模块间的亮度不匀，为了解决这两种亮度不均匀性，在分档、规范组装工艺、均衡led中电流等方面均下了不少功夫。但都不能从根本上解决问题。光强均衡处理是一个比较好的办法。从图像处理角度看，可以把像素间光强不均看成是一种非随机变化的静态噪声，可以利用图像处理中的图像平滑技术来进行像素间光强均衡处理。将采集到的各像素的亮度分布，按某种平滑技术处理后形成一个灰度校正矩阵，要显示的数字图像信号用此矩阵处理后再去驱动大屏幕led显示屏。3.2.6 亮度控制器模块亮度调节问题，是为了使室外led彩屏能够适应白天、夜晚、晴天、阴天等多种户外环境光线的变化而提出的。为适宜观看，要求其屏体亮度随外界环境的变化而适当调整。另一方面，led屏耗电量较大，一般为几十到几百千瓦，控制亮度可以延长设备使用寿命，而且对降低功耗有重要意义。comm0comm1comm2 d0 d1 d6 d7 d0图3-2 亮度时序图图3-2 led亮度信号时序图本次设计的led显示屏可以进行8个等级的亮度调节。arm发送的comm0、comm1、comm2是亮度控制信号和亮度数据信号。其时序图如图3-2所示。其中，commo和commi是亮度控制信号，commz是亮度数据信号。亮度数据信号按照亮度控制信号的时序要求串行发送亮度数据信息。一个commo正脉冲内，当检测到commi下降沿时，发送一位数据信息。一个commo正脉冲内有8个commi周期，即串行发送8位数据信息，在这8位数据信息中，d0d2是亮度信息，也就是用这三位数据表示出8个等级(分=8)的亮度来。采用脉宽调制来控制亮度，将平均电流分成8级，亮度信号是低电平有效。本设计中，安装了光传感器，因此可以根据光传感器测得的环境光亮度，程序自动调整亮度寄存器的数据值，从而获得最佳的显示效果。第4章 led彩屏显示系统的硬件设计4.1 arm芯片简介及硬件电路设计4.4.1 arm芯片简介arm(advanced risc machine)的缩写。1985年4月26日，第一个arm原型在英国剑桥的aocm计算机有限公司诞生，由美国加州snajosevlsi技术公司制造。20世纪80年代后期，arm很快开发成acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。1990年成立了advanced risc machines limited(后来简称为arm limited，arm公司)。20世纪90年代，arm32位嵌入式risc处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。arm公司使用通用的基础体系结构，以极低的成本和功耗提供了高性能、多系列的32位uisc处理器核。arm处理器在耗电、数据传送、数据处理速度以及带dsp功能等方面业界领先，很快成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费和嵌入式解决市场的risc标准。arm公司是设计公司，是知识产权供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。作为32位嵌入式muc器业界的领先供应商，arm公司商业模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴包括半导体工业的著名公司，从而导致了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于arm处理器核的设计可以很快投入市场。arm处理器的3大特点如下:(1)小体积、低功耗、低成本、高性能;(2)16位/32位双指令集;（3）全球众多的合作伙伴。常见的arm内核有arm7、armg、armge、arm10以及securcoer等几类。arm7、armg、armge和arm10是4个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计一者对功耗、性能和体积的要求。securcore是第5个产品系列，是专门为安全设备而设计的。性能高达1200mpis(xscale微体系结构)，功耗测量为w/m hz，并且所有体系结构兼容。arm7、armg、armge和arm10产品系列提供了一系列处理器可供选择，为特定目的而设计，包括:用于低价位应用的整型核;用于windows操作系统的、带集成存储器管理单元(mmu，memon management unit)的核;最适用于运行实时嵌入式操作系统的核。综合考虑多方面的因素，如价格、功能、应用前景等，本系统选用的是phiips公司的lpc2214芯片，该款arm微处理器是一个支持实时仿真和跟踪的16/32位cpu的微控制器，芯片内部集成了通用i/o口、uarto&1、spi串行接口、i2c串行接口等多个功能模块，很适合终端类产品的开发。4.1.2 arm的硬件电路设计 下面给出了arm部分的电路原理框图，如图4-1所示。vflash(am29lv160d)sramis61lv25616电源电路外围接口rs232/485转换器jtag接口电路spi总线时钟/日历芯片lpc244 图4-1 arm电路原理框图其中电源电路用于提供arm所需要的3.3v和1.8v两组电压;rs232/485转换器用于完成arm与pc机之间的通讯，同时还具有isp(在系统编程)功能;采用spi总线芯片(at25040)，存放需要固化的常量数据等，用i2c总线实时时钟旧历芯(pcf8583)，实现时间日历功能;外围电路则主要包括温度和亮度的采集。此外，arm外部扩展了一片flash(am29lv160d)，flash存储器是一种可在系统进行电擦写、掉电后信息不丢失的存储器。作为一种非易失性存储器，flash在系统中通常用于存放调电后需要保存的用户数据等。4.1.2.1 jtag调试接口电路jtag(joint test action group，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，jtag技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路tap(test access port，测试访问口)，通过专用的jtag测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持jtag协议，如arm、dsp、fpga器件等。标准的jtag接口是4根线连接:tms、tck、tdi、tdo，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。jtag测试允许多个器件通过jtag接口串联在一起，形成一个jtag链，能实现对各个器件分别测试。jtag接口还常用于实现isp(in-system progammab1e在系统编程)功能，如对flash器件进行编