（机械制造及其自动化专业论文）基于arm的大屏幕led显示系统的设计研究.pdf

型竖堡主兰坐苎 一 兰一! 坠呈8 8 基于a r m 的大屏幕l 肋显示系统的设计研究 机械制造及其自动化专业 研究生：张华指导教师：樊庆文 随着信息时代高新技术的飞速发展，人们对及时获取并显示各类信息的愿 望同益强烈，由此带动了信息传媒的飞速发展，发光二极管( l e d ) 显示屏就是 信息显示的重要传媒之一。 l e d 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的大面积显示屏 幕。由于它具有可靠性高、使用寿命长、性能价格比高、使用成本低、环境适 应能力强等特点，广泛应用于金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、 高速公路等公共场所的信息显示和广告宣传。l e d 显示技术是将光电、计算机 以及控制等技术综合一体的现代新技术。l e d 显示屏系统主要由显示屏、显示 屏控制器以及完成文字录入和显示模式控制的计算机三个部分组成。该系统既 可以显示中文、英文，也可显示图形符号或用户指定的特殊图形符号。本课题 研究的主要对象是基于a r m 嵌入式微处理器的大屏幕l e d 显示系统的软、硬件 组成。 目前各种大屏幕l e d 显示屏的控制常采用8 位或1 6 位的微处理器，但由 于这些微处理器系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题，已难满足显示区域 较大、显示内容切换频繁的相对较复杂的应用场合。本课题针对目前大屏幕l e d 显示系统存在的问题，结合当今先进的微控制器产品、控制技术和通信技术， 采用基于a r m 核的新一代3 2 位嵌入式r i s c 微处理器组成前级驱动电路，p c 机 用于后级管理和控制，方便地组成由多块大屏幕l e d 显示器构成的显示系统。 与传统的基于8 位1 6 位普通单片机的l e d 显示系统相比较，该系统在不显著 增加系统成本的情况下，可支持更大可视区域的稳定显示，同时可存储更多的 束群蕊洋帮蜀鬻 密盈z 叠= 四川大学硕士学位论文 显不内容。 本课题主要完成以下内容： ：! ) 深入了解大屏幕l e d 显示系统的结构，工作原理，分析传统l e d 显示 控制器的主要不足。 ( 2 ) 完成基于3 2 位a r m 微处理器的大屏幕l e d 显示系统的总体设计，对系 统中使用的主要芯片进行选型并分析了芯片的结构和使用方法。 ( 3 ) 对基于a r m 微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 系统的电源电路、晶振电路与复位电路 进行设计。对基于$ 3 c 4 5 1 0 b 的系统扩展进行设计，主要包括存储器f l a s h 和 s i ) i a i v l 的扩展及与s 3 c 4 5 i o b 的接口电路的设计。 ( 4 ) 给出了基于s 3 c 4 5 1 0 b 系统的l e d 显示屏动态扫描电路中的列显示驱动 电路和行扫描控制电路，完成l e d 显示屏动态扫描电路与$ 3 c 4 5 i o b 的接口电 路的设训。 ( j ) 将微处理器$ 3 c 4 5 o b 系统输出的l v t t l 电平信号进行r s 一2 3 2 标准的 转换，实现l i e d 显示控制器能与p c 机进行串口通信。并对i o m i o o m 以太网接 口电路进行初步设计，以提供以太网的按入通道。 ( 6 ) 完成基于a r m 微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 的大屏幕l e d 显示系统的软件设计， 以实现i ，e d 显示屏的图文显示。基于a r m 微处理器控制系统的程序采用a r m 汇 编语言和c c + + 语言编写，p c 机的串口通信程序使用v b 60 进行开发，并通过 m s c o m m 通信控件来实现数据传输。 关键词：3 2 位a r m 微处理器a r m 汇编语言串行通信l e o 显示系统 璺型奎兰堡主兰垡丝苎 一 r e s e a r c ha n dd e s i g no fl a r g el e dd i s p ia ys y s t e mb a s e do r la r m m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i z a t i o n p o s t g r a d u a t e ：z h a n g h u a s u p e r v is o r ：f a n q i n g w e n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f h i g ht e c h n o l o g yi ni n f o r m a t i o na g e ，p e o p l ea r e m o r ea n dm o r ee a g e rt oo b t a i na l lk i n d so fi n f o r m a t i o na n dd i s p l a yt h e mi nt i m e t h e r e f o r ei t b n n g st h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nc a r r i e r , l i g h te m i t t i n g d i o d e ( l e d ) d i s p l a ys y s t e mi sa r li m p o r t a n tk i n d & i n f o r m a t i o n c a n n e r l e d d i s p l a ys c r e e nu s e sl a t t i c em o d u l e o rp i x e lu n i tm a d eo fl e dt om a k eu p b i ga r e ad i s p l a ys y s t e mf o ri th a sm a n y f e a t u r e ss u c ha sh j 【曲r e l i a b i l i t y , l o n ga g e ， h i 曲p e f f o m a a n c e ，l o wc o s t , a n d m o r eh i g h e ra c c l i m a t i z a t i o n ，i ti su s e di nt h ef i e l do f t h ei n f o l r n a t i o ns h o w sa n da d v e r t i s i n go f p u b l i cp l a c e s ，s u c ha sf i n a n c i a lm a r k e t ， h o s p i t a l ，s t a d i u m ，a i r p o r t ，h a r b o r , s t a t i o n ，h i g h w a y , e t c t 1 1 cd i s p l a ys c r e e ns y s t e mo f l e ds y n t h e s i z e st h ei n t e g r a t i v em o d e mb e w t e c h n o l o g yo ft h et e c h n o l o g y , s u c ha 5 p h o t o e l e c t r i c i t y , c o m p u t e r a n dc o n t r o l ，e t c l e d d i s p l a y s c r e e n s y s t e mm a i n l y c o n s i s t so fd i s p l a y s c r e e n ，d i s p l a y s c r e e nc o n t r o l l e ra n dc o m p u t e rt h a t f i n i s h c h a r a c t e r si n p u ta n ds h o wm o d ec o n t r 0 1 t h es y s t e mc a ns h o wn o to n l yc h i n e s e e n g l i s hb u ta l s ot h ef i g u r es y m b o lo rt h es p e c i a lf i g u r es y m b o lw h i c ht h el l s e r a p p o i n t e dt o t h em a i no b j e c tr e s e a r c h e db y t h i st h e s i si st h es t r u c t t t r eo fh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo f l a r g e l e d d i s p l a ys y s t e m b a s e d0 na r me m b e d d e d m i c r o d r o c e s s o r n o w , 8 - b i to r1 6 一b i tm i c r o p r o c e s s o r sa r eo f t e nu s e df o rt h ec o n t r o lo fa l lk i n d s o fl a r g el e dd i s p l a y s c r e e n ，b u tb e c a u s eo fs o m ep r o b l e m se x i s t e di nt h e s e m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m s u c ha sr u n n i n g s p e e d ，a b i l i t yt oa d d r e s sa n dp o w e rd e p l e t i o n ， e t ci ns o m ec o m p l e xo c c a s i o n s ，i ti sd i f f i c u l tt o s a t i s 匆l a r g ed i s p l a ya r e aa n dt h e i i f 删川大学硕士学位论文 c o n t e n t so fd i s p l a ys w i t c h e df f e q u e a f l ga i m i n ga tt h ep m n e m se x i s t si nl a r g el e d s c r e e nd i s p l a ys y s t e m ，r e l a t i n gt ot h ea d v a n c e dp r o d u c i so f m i c r o p r o c e s s o r , c o n t r o l t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w ea d o p t e dt h en e wg e n e r a t i o n3 2 一b i t e e m b e d d e dr i s cm i c r o p r o c e s s o rb a s e do l la r mt oc o n s t i t u t et h ef o r m d rl e v e l d r i v i n gc i r c u i t a 嘣p ci su s e d t om a n a g ea r i dc o n t r o lf o rt h el a t t e ri e v e l 、s ( 3t h i s p a p e r c a r lf o r mt h ed i s p l a ys y s t e me a s i l yw h i c hm a d eu po fm a n yp i e c e so fl a r g el e d s c r e e nd i s p l a y , c o m p a r e dw i t ht h e 臼a d i t i o n a ll e d d i s p l a ys y s t e mb a s e do n8 - b i to r 1 6 - b i ts c m t h i ss y s t e mc a ns u p p o r t s t e a d yd i s p l a yw i t hb i g g e rv i s i b l ew h i l ea o o b v i o u si n c r e a s eo n c o s t s ，缸t h es a n - r et i m e ，i tc a r ts t o r em o r e d i s p l a yc o n t e n t s t h i sr e s e a c hh a sm a i n l y a c c o m p l i s h e d t h ec o n t e n ta sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) l e a r nd e e p l ya b o u tt h ec o n f i n t r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fl a r g el e d d i s p l a ys y s t e m ，a n a l y z e t h em a i n d i s a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n nl e dd i s p t a ys y s t e m ， ( 2 ) a c c o m p l i s ht h ew h o l ed e s i g no fl a r g el e d d i s p l a ys y s t e mb a s e do n3 2 b i t a r m m i c r o p r o c e s s o r , c h o o s i n gt h ea p p r o p r i a t et y p eo ft h em a i n c h i pa n da n a l y z i n g t h es l r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i o nm e t h o do ft h ec h i p s ( 3 ) d e s i g nt h ep o w e rc i t c u i t ，c r y s l a _ 】一v i b r a t i o nc i r c u i ta n dt h er e s e tc i r c u i tb a s e d o i la r mm i c r o p r o c e s s o r s y s t e m ，f u r t h e r m o r e ，c o m p l e t i n g t h e d e s i g n o ft h e s y s t e m a t i ce x p a n s i o nb a s e do n $ 3 c 4 5io b ，i n c l u d i n gm a i n l yt h ee x p a n s i o no ft h e m e m o r i z e r sf l a s h ，8 d r a ma n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i t o f t h e $ 3 c 4 5 l o b l 4 ) p r o v i d et h ec o l u m n d i s p l a yd r i v e rc i r c u i ta n d t h e ：r o ws c a n m n gc o n t r o lc i r c u i t o f t h ed y n a m i c s c a n n i n g c i r c u i to f t h el e d d i s p l a ys c r e e n , f u l f i l i n gt h ed e s i g nf o r t h ed y n a m i cs c a n n i n gc f f c u i to fl e d d i s p l a ys c r e e ba n dt h ei n t e r f 址ec i r c u i to f s 3 c 4 5 0 b ( 5 ) m a k eat r a n s f o r mf r o ml v r r ls i g n a zs e n to u tf r o m m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 4 5 1 0 bt or s 一2 3 2 ，w h i c hc a nm a k et h el e d d i s p l a yc o n t r o l l e r rc o m m u n i c a t i n g w i t hp cm o r e o v e r , p r o c e e d i n g t od e a i g nt h ei n t e r f a c ec i r c u i to fi o m t 0 0 m c n 畦 t op r o v i d et h e g a t e w a y s o f t h ee t h e m e t ( 6 ) a c c o m p l i s ht h es o f t w a r ed e s i g no f l a r g el e d d i s p l a ys y s t e mb a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 4 5 1 0 bi no r d e rt or e a l i z ed i s p l a yo f i m a g e sa n dl e r e r si nl e d d i s p l a y5 c r e e 9 1 t h ep r o g r a m ：b a s e d 册a r mm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l s y s t e mi 5 四川大学硕士学位论文 c o m p i l e d w i t ha r ma s s e m b l e l a n g u a g ea n dc c + + l a n g u a g et h ep r o g r a mo fs e r i e s c o n m a t m i c a t i o no fp ci sd e v e l o p e d 诵mv b 60 a n dt h ed a t ai st r a n s f e r r e dt h r o u g h m s c o m mc o m m u n i c a t i o i lc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：3 2 - b i ta r m m i c r o p r o c e s s o r a r ma s s e m b l e l a n g u a g e s e r i a lc o n m l u n i c a t i o nl e d d i s p l a ys y s t e m v 四川i 大学硕士学位论文 1 绪论 现代社会已经迈入信息化时代，大量的信息通过“信息高速公路”传送着， 图像是人们感受信息的直接方式之一。研究表明，在人们经各种感觉器官从外 界获得的信息中，近2 3 的信息是通过眼睛获得的“。而图像显示技术i 正是 为人们提供各种各样重要信息的一个窗口。进入2 0 世纪以来，显示技术作为 人机联系和信息展示的窗口已应用于社会生活的各个方面。 目前已经开发和应用的各类显示设备有：液晶显示器、等离子体显示器、 场发射显示器、真空荧光显示器、发光二极管( l e d ) 等等“。，其中，l e d 作为 一种新型的显示设备，从一问世，就引起了世人的极大关注。 1 1 l e d 大屏幕及其应用 发光二极管( l e d ) 是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件“1 1 。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、亮度等性能方面得以提高，并迅速进入批量化和 实用化。进入八十年代后，开始出现平板显示产品即l e d 显示屏。 大屏幕l e d 显示屏是一种新型的信息显示媒体，它是利用发光二极管点阵 模块或像素单元组成的平面式显示屏幕，以发光效率高、使用寿命长、环境适 应能力强、性价比高、组态灵活、色彩丰富等特点。1 。，在短短的十来年中， 迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域缛到了广泛的应用。 随着计算机技术和半导体技术的发展，把计算机技术和先进的半导体技术 连接起来，使l e d 大屏幕显示系统成为集计算机控制技术、视频技术、光电子 技术、微电子技术、通信技术、数字图象处理技术为一体的显示设各。它已成 为既可以播放来自于计算机的动态视频信息，也可以播放来自存储设备的静态 图象的综合的多功能的大型显示设备。 l e d 显示屏的应用涉及到社会经济的许多领域，主要包括： ( 1 ) 机场航班、港口、车站旅客引导信息显示。以l e d 显示屏为主体的信 息系统和广播系统、票务信息系统、列车到发显示系统等共同构成客运枢纽的 自动化系统。 ( 2 ) 证券交易、金融信息显示。在证券行情屏、银行汇率屏、利率屏等方 面应用占铰大比例，是l e d 显示屏的主要需求行业。 四川i 大学硕士学位论文 ( 3 ) 邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。 ( 4 ) 道路交通信息显示。随着智能交通系统的兴起，在城市交通、高速公 路等领域，l e d 显示屏作为可变情报板、限速标志等也有较大发展。 ( 5 ) 高校教学管理信息发布显示。为学生、教师提供方便快捷的获取信息 的手段，为最大限度地减少教学事故、维护良好教学警理提供帮助。 ( 6 ) 室外产品广告及信息发布。 12 l e d 大屏幕的发展状况与趋势 121 l e d 大屏幕的发展状况 在使用j 。e d 技术设计和制造大尺寸显示屏幕这一领域，$ a c o $ m a r t v i s i o n 公司处于世界领先地位。该公司推出的l e d 显示屏采用数百万个分散的红、绿、 蓝l e o 卷4 造而成，提供的分辨率舞观察视角要远远好子任何一种投射或者层叠 大尺寸显示器。该公司为纽约时代广场制造的纳斯达克全彩屏最为闻名，这台 超级显示屏面积为1 2 0 英尺9 0 英尺，由1 9 0 0 万只超高亮度的蓝、绿、红色 l e d 组成”。，该屏不仅具有巨大的尺寸，而且具有良好的分辨率和多功能性。 在高亮度大屏幕视频显示技术方面，j u m b o t r o n 系统被公认为是世界的领 先者。j u m b o t r o n 的技术特点在于采用了独特的图像控制器，确保了图像的高 清晰度。目前，全世界有2 3 个国家在使用j u m b o t r o n 超大屏幕电子显示屏， 总使用面积己超过1 4 0 0 0 平方米1 。 我国l e d 显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，国内的l e d 显示屏 发展经历了三个阶段： ( 1 ) 1 9 9 0 年以前l e d 显示屏的成长形成时期 一方面，受l e d 材料器件的限制，l e d 显示屏的应用领域没有广泛展开， 另一方面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。 这一时期的l e d 显示屏在国外应用较广，国内没有广泛使用。 ( 2 ) 1 9 9 0 1 9 9 5 年，l e d 显示屏迅速发展的时期 进入9 0 年代后，国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强 烈，l e d 显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在l e d 显示屏的设计制 造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。l 即显示屏经历了从单色、双色图 文显示屏，到图像显示屏，直到全彩色视频显示屏的发展过程。无论在器件 四j i 大学硕士学位论文 的性能( 超高亮度及蓝色发光灯等) 和系统的组成( 计算机化的全动态显示系 统) 等方面都取得了长足的进步。 ( 3 ) 1 9 9 5 年以来，l e d 显示屏应用领域更为广阔 近年在全彩色l e d 显示屏、2 5 6 级灰度视频控制技术、多级群控技术等方 面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现。 我国l e d 显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已形成了一个 具有相当发展潜力的产业。其中南京洛普股份有限公司是专业从事大型公众信 息显示屏的企业，产品已批量出口，在本行业中获有较高的知名度“”。 12 2l e d 大屏幕的发展趋势 目前l e d 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，l e d 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l e d 产品出现以来，成本逐年快速降低，使l e d 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l e d 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，l g d 显示屏的标准化和规范 化将成为l e d 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l e d 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， i s 0 9 0 0 0 系列标准的应用，使l e d 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，l g d 显示屏的应用前景更为 广阔。预计大型或超大型l e d 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l e d 显示屏会有较大提高，面向信息服务领 域的l g d 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 四川丈学硕士学位论文 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l e d 显示屏在l e d 显 示屏市场总量中将会占有多数份额。 总之，在l e d 大屏幕材料研制方面，单色、多色l e d 点阵模块产品已经很 成熟，目前的发展方向为全彩色l 印显示羼；在产品方面，l e o 大屏幕朝标准 化、大型化和小型化的方向发展。 1 3 关于a r m 嵌入式微处理器及嵌入式技术 131 a r m 嵌入式徽处理器 本系统设计的大屏幕l e d 显示系统的控制器采用a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e ) 嵌入式微处理器。基于精简指令集( r i s c ) 架构的3 2 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a r m 嵌入式微处理器系列。 a r m 是一一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的通称，还可认为是 一种技术的名字。 a r m 公司1 9 9 t 年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权”。世 界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同 的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市 场。目前，采用a p 4 a 技术知识产权i p ( i n t e l e c t u a ip r o p e r t y ) 核的微处理器， 即我们通常所说的a r m 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。 a r m 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t h u m b ( 1 6 位) a 隘( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 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，a r m 微处理器及技术的应用已经深入到各卜领域，在工业控 制领域，基于a r m 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，a r m 微控制器的低功耗、 高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 四川大学硕士学位论文 1 3 2 嵌入式技术 单片机嵌入于各种设备及应用产品内部，以各种设备、产品的形态出现， 即计算机的嵌入式应用，区别于通用微车几一台式计算机。以嵌入式形态出现的 计算机占整个计算机生产量的8 0 以上。，所构成的计算机系统为嵌入式系统 ( e m b e d d e ds y s t e m ) 。嵌入式系统的出现至今已有3 0 多年的历史，近几年来， 计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术己成为一个研究 热点。 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是指以应用为核心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，咀 及适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系 统”“。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应 用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常 嵌入在主要设备中运行。 2 嵌入式系统的技术特点“ ( 1 ) 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。软件除操作系 统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件i 硬件除核心硬件c p u ，其主流 系列为a r m 、m i p s 外，还需有外围电路支持，微处理器、微控制器已构成嵌入 式系统硬件的基础。 ( 2 ) 嵌入式系统是资源开销小的高性价比系统。由于嵌入式系统技术日 益完善，各种高性能嵌入式应用系统层出不穷，它已是资源开销小的高性价比 的一类应用系统。其大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) ，以满足高性能、高可靠 性、系统资源开销小的要求。 ( 3 ) 嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统。嵌入式系统应用的 广泛性，要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统。 嵌入式系统按其技术的发展经历了四个阶段1 i 以单芯片可编程控制器为 核心的系统：以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统软件为核心的阶段；以完 善的嵌入式实时操作系统为标志的嵌入式系统：以i n t e r n e t 为标志的嵌入式 系统。嵌入式系统发展到今天其技术曰益完善，3 2 位微处理器，即x 8 6 c p u 和 嵌入式c p u ( a r m 、m i p s 、s h 三大类) 以及d s p ，在嵌入式系统中占主导地位； 嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，嵌入式系统与网络、i n t e r n e t 结合日益 四川大学硕士学位论文 密切。 14 课题的目的、意义及主要研究内容 l e d 显示屏是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅速发展而形成 的一种电子广告媒体，它越来越广泛地应用到工业、交通、金融及信息广告等 各行业。如今l e d 显示屏的应用越来越向面积大和分辨率高两个方向发展，进 而增加了传输和存储数据的量“。而目前，各种大屏幕l e d 显示屏的控制常采 用的是8 位或1 6 位的微处理器，由于这些微处理器系统的运行速度、寻址能 力和功耗等问题，已难满足显示区域较大、显示内容切换频繁的相对较复杂的 嵌入式应用场合。同时，目前的l e d 显示系统一般作为一个独立的系统存在， 或通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 方式与p c 机进行近距离的通信，不能满足需要远距离控 制的使用要求。 本课题针对目前大屏幕l e d 显示系统存在的问题，结合当今先进的微控制 器产品、控制技术和通信技术，实现高性能、低成本、低功耗、小体积的大屏 幕l e o 控制器。 为实现上述目的，采用基于a r m 核的新一代3 2 位嵌入式r i s c 微处理器组 成前级驱动电路，采用p c 机用于后级管理和控制，可方便地组成由多块大屏 幕l e o 显示器构成的显示系统，与传统的基于8 位1 6 位普通单片机的l e d 显 示系统相比较，该系统在不显著增加系统成本的情况下，可支持更大可视区域 的稳定显示，同时可以存储更多的显示内容。 随着i n t e r n e t 技术深入到企业管理和控制之中，这就要发展管控一体化 的系统集成技术和系统。通过以太网和w e b 技术实现开放型分布式智能系统， 基于以太网和t c p i p 协议的技术标准，提供模块化、分布式、可重用的自动 化方案“。由于8 位1 6 位单片机速度不够快且内存不够大，较难满足嵌入式 设备的上网要求，而基于3 2 位微处理器的嵌入式设备能满足上网的要求。本 系统采用a r m 微处理器，由于具有强大运算能力和丰富的片内外围，还可将l e d 显示屏方便的接入以太网络，每一个l e d 显示控制器可作为一个网络节点，方 便的组成基于以太网的多个l e d 显示屏控制系统，以满足更高、更复杂的使用 要求。 本课题的主要研究内容包括： 匹i 川大学硕士学位论文 ( 1 ) 根据收集的资料和已有设计方案对l e d 显示屏的控制系统进行改进和 进一步的设计。 ( 2 ) 根据系统总体方案进行基于3 2 位a r m 微处理器( $ 3 c 4 5 1 0 b ) 的大屏 幕l e d 显示系统控制器的硬件设计，主要包括a r j 微处理器的系统配置及相关 的接口电路的设计：基手a r ! 矗的l e d 显示屏动态扫描电路的设计：系统与上位 机之矧串口通信的设计。 ( 3 ) 根据l e d 显示屏的工作原理、功能以及硬件系统进行系统软件设计， 主要包括系统软件模块的划分，各模块程序流程的详细设计，并用汇编语言和 c 语占对a r m 微处理器控制系统各模块进行详细编制，用软件v b 6 0 进行上位 机的串口通信程序开发。 ( 4 ) 基于工业以太网的大屏幕l e d 显示系统组成的方案设计。 四川大学硕士学位论文 2 基于l e d 显示器的大屏幕l e d 显示系统的组成 2 1 l e d 器件的工作原理 211l e d 器件发光的基本原理 发光二极管( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e l e d ) ，是一种把电能变成光能的特 r - ) ，、 种器件，当电流如图2l 所示通过它的时候，可以产生可视的光“。 阳极 阴极 + v ，：坚二竺鲤 r 图2 1 开启一个l e d 发光二极管的结构主要由刚结芯片、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p n 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。 21 2l e d 器件的驱动 从l e d 器件的发光机理可以知道，当向l e d 器件施加正向电压时，流过器件 的正向电流使其发光。因此l e d 的驱动就是要使它的p n 结处于正偏置，同时 为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方式有直 流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本课题l e d 器件的驱动为扫描驱 动。 l 脉冲驱动 利用人眼的视觉暂留特性，采用向l e d 器件重复通断供电的方法使之点燃， 就是通常所晚的脉冲驱动方式。采用这种方式时应该注意两个问题：脉冲电流 四川大学硕士学位论文 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i 。就应该与直流驱动的电流值相同。如图2 - 2 所示， 平均电流i 。是瞬时电流1 的时间积分，对于矩形波来说，有如下表达式2 ”： i。：(1i1 f7 胁( 式2 - i ) a 2 ( r ) j 。胁 ( 式 多 图2 2l e d 的脉冲驱动 i f i i ( t 。t ) 、3 2 位( 字) ，地址总线最大为3 2 位。可以支持多种存储器的访问：r 、 s r a l l 4 、f l a s h r 0 i 、d r a m 、s d r a m ，并且采用i o 与储存器统一编址。$ 3 c 4 5 1 0 b 内部集成了8 1 ( 快速静态r a m 、以太网网络控制器、i d l e 控制器、i i c 接口、通 用d m a 接口、两个异步串行口、1 6 个可编程的i 0 口、两个3 2 位的定时器、 四个外部中断。$ 3 c 4 5 1 0 b 复位后通过f l a s h r i 读入系统启动程序，用于设置 图4 1 s 3 c 4 5 1 0 b 的引脚分布图 2 0 堕业查堂堡主兰垡堡兰一 中断向量表、储存系统地址重新映射、内存初始化，c p u 在各模式下的堆栈设 罱，将用户程序从r 。m 读到s d r a m 中，在s d r a m 中运行程序! 就3 ”。 41 1 $ 3 c 4 5 1 0 b 芯片引脚及片外总线结构 如匿4 1 所示$ 3 c 4 5 她共有2 0 8 只弓麟，采愿簖p 封装。尽管s 3 c 4 5 】鼯 引脚较多，但根据各自的功能，分布很有规律。 与m c s 一5 1 单片机相比，$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片的引脚也构成了三总线形式。即： ( 1 ) 地址总线2 2 根地址线。 ( z ) 数据总线3 2 根数据线，数据总线可啦是8 位、1 6 位、3 2 位。 ( 3 ) 控制总线按输入输出分类，其中输出类型的引脚主要用于$ 3 c 4 5 1 0 b 对外设的控制或通信，由$ 3 c 4 5 1 0 b 主动发出，这些引脚的连接不会对$ 3 c 4 5 1 0 b 自身的运行有太大的影响。而某些输入类型的弓i 螂，其电乎信号的设置是 $ 3 c 4 5 1 0 b 本身正常工作的前提，在系统设计时必须小一心处理。$ 3 c 4 5 i o b 的主 要控制信号有： l i t t l e ( p i n 4 9 ) ：大、小端模式选择引脚，高电平- 4 端模式低电平= 大 端模式，本系统使用小端模式，该引脚上拉； t d e ( p i n 6 3 ) ：高电平= 芯片测试模式，低电平= 正常工作模式，本系统该 引脚下拉，使芯片处于正常工作模式： n e w a t ( p i n 7 1 ) ：外部等待请求信号，该弓l 脚土拉； b o s i z e 1 ：0 ( p i n 7 4 ，p i n 7 3 ) ：b a n k o 数据宽度选择； e x t m r e q ( p i n l 0 8 ) ：外部主机总线请求信号，该引脚下拉。 除此之外，$ 3 c 5 1 0 b 芯片引脚还包括电源，时钟、复位和i o 口。电源引 脚和接地s 1 脚有近5 0 棍，v d d 、y s s 。系统复位引脚n r e s e t ( p i n 8 2 ) ，低电平复 位。1 8 个可编程z o 口。与时钟信号有关引脚：x c l k ( p i n s o ) ：系统时钟源， 接有源晶振的输出；c u ( s e l ( p i n 8 3 ) ：时钟选择，该引脚下拉，使x c l k 经过p l l 电路倍叛后怍为系统魄工作时钠；c l k q 味( p i 奶奶：对钟输出允诲禁止，该弓5 脚按高电平，使时钟输出为允许状态：f i l t e r ( p i n 5 5 ) ：本系统使用p l l 倍频 电路，在该引脚和地之间接8 2 0 p f 的陶瓷电容。 对于$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片来说，还有一个特点就是该芯片引脚包括了些专用功 能模块的输入输出线，如h d l c 、u a r t 、工工c 、m a c 等的接口”1 ， 四川大学硕士学位论文 4125 3 c 4 5 1 0 8 芯片片内结构 lc p u 内核概述 $ 3 c 4 5 1 0 b 的c p u 内核是由a r m 公司设计的通用3 2 位a 1 w t t d m i 微处理器核， 图4 2 为a r m 7 t d m i 核的结构框图。“。整个内核架构基于r i s c ( r 6 d u c e d i n s r u c t l o ns e tc o m p ul e r ，简指令集计算机) 规魁。 r i s c 的概念是1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校在传统的c i s c ( c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构基础上提出的，r i s c 并非 只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合 理地提高运算速度上。r i s c 规则优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂 指令：将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主。”。 图4 _ 2a r m 7 t d mi 核的结构框图 ( 1 ) t 目4 - 类型：a r j 7 t d m i 内核既能执行3 2 位的a r m 指令集，又能执行1 5 位的t h u m b 指令集 3 2 位的a r m 指令集由1 3 种基本的指令类型组成，可分为如下四大类： 分支指令用于控制程序的执行流程和在a 胁