（电工理论与新技术专业论文）基于arm和cpld的led彩屏显示系统的研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sl e d d i s ；p l a y 鲫 c e nh a sb e e nd e v e l o p e dv e r yq u i c k l y t h i sp a p e r i n t r o d u c e san e ws c h e m eo fl e dd i s p l a ys y s t e m ，a n da p p l i e sa r ma n dc p l di nt h e f i e l do ft h es y s t e m ，i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f e c ta n ds o l v ed i f f i c u l t yo ft h el a r g e d i s p l a ya r e aa n dt h ed i s p l a ys w i t c h e df r e q u e n t l y f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fl e dd i s p l a y s c r e e na n dp u t s f o r w a r do r i g i n a l l ys t r u c t u r ec o m p o s i t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e re x p l a i n st h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g np r o c e s so fl e dd i s p l a ys y s t e m a r mi s3 2b i t sr i s cp r o c e s s o r i ti sr e s p o n s i b l ef o rr e c e i v i n gi n s t r u c t i o na n da n a l y z i n gi t a r ms o f t w a r ei n c l u d e st h e s t a r tc o d ew h i c hi su s i n ga s s e m b l yl a n g u a g ea n dd i s p l a ye f f e c t sw h i c hi su s i n gc l a n g u a g e c p l di sr e s p o n s i b l ef o rs c a n i n g a n dd r i v i n gc i r c u i to fl e dd i s p l a y i tc a n a l s or e a da n dw r i t em e m o r y , c r e a t et h e 掣a ya n dt h ea d d r e s so fr e a d i n gd a t a , a n d c o n t r o ld i s p l a ys c r f a ：nb r i g h t n e s s f i n a l l y , f e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so fs c h e m ea r e v e r i f i e db ys i m u l a t i n g t h ed i s p l a ys y s t e mr e a l i z e st h ed y n a m i cd i s p l a yo fl e t t e r sa n d p i c t u r e s i naw o r d , i t sl e dc o l o rs c r c c nd i s p l a ys y s t e mw h i c hi sw o o h y o fr e a l a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：a r mm i c r o p r o c e s s o r , c p l d , l e dd i s p l a ys y s t e m , m u l t i - g r a y 西北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 十几年来，随着显示器件与技术的进一步发展，大屏幕显示系统在国民经济 中得到广泛应用，l e d 显示屏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i ”。 近l o 来，有关l e d 大屏幕的设计和制作、安装已经成为一个新的电气工程 产业链，年产值约为1 0 2 0 亿元。9 8 年以来，g a n 基于纯蓝色绿色l e d 的成批量生 产，使制造l e d 彩屏成为可能，它可以逼真地显示全彩色图像，色彩质量接近电 视，但是蓝管由于材料和专利的原因，价格居高不下，造成l e d 彩屏成本较高。 可以预见，随着高亮度l e d 成本的降低和电子技术的发展，将使l e d 彩屏成本逐步 降低，显示质量大幅提高，l e d 屏将成为最有吸引力的大型显示器【御。 我国的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，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控 制方式为通信控制，灰度等级为单点4 级调灰，产品的成本比较高。 21 9 9 0 - 1 9 9 5 年，这一阶段是l e d 显示屏迅速发展的时期。 进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，l e d 显示屏在l e d 材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色l e d 镜片研制成 功，全彩色l e d 显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示 屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现1 6 级灰度和6 4 级灰 度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。这个阶段，l e d 显示屏在我国发展迅 速，l e d 显示屏产业成为新兴的高科技产业。 31 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、集群无经线控制、多 西北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 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；l e d 显示屏 控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。产品在质量、标 准化等方面出现了一些列新的问题，有关部门对l e d 显示屏的发展予以重视并进 行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。 l e d 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领 域唯一立足国内形成的民族高科技产业。随着北京申办2 0 0 8 年奥运会的成功， 必将进一步推动l e d 显示屏产业的发展p j 。 1 2 课题意义 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l e d 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l e d 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1 4 l a 同时，采用基于a r m 核的新一代3 2 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a r m 和c p l d 相结合的方法来共同完成l e d 彩 屏的显示系统设计。 1 3 论文内容和结构 本次研究的l e d 显示屏体是由3 2 行x 2 5 6 列个点阵构成，主要完成以下功能： 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l e d 屏发出色彩和灰度控制信号及行列控制信号等。整个系统主要由上位 计算机，显示控制电路和l e d 显示屏三部分构成，本次研究的主要内容是显示控 制系统电路部分。 上位计算机通过串口采用标准的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 计算机数据串行通讯方式向 显示控制电路发送指令集。3 2 位a r m 微处理器接收指令集，并且用c 语言编制 显示效果的算法，解析指令集。同时将灰度数据信号和控制信号( 帧同步信号、 2 西：l i b r a 业大学硕士学位论文第一章绪论 行同步信号、片选信号和写信号) 发送给c p l d 。c p l d 是构造大屏幕的高速扫 描驱动电路的核心部分，从a r m 接收到的灰度数据信号分时存储到c p l d 外部 扩展的两片s r a m 的不同位置，并将从s r a m 中读出的灰度数据信号转换为l e d 显示屏能够识别的上屏数据信号，串行发送至l e d 显示屏从而点亮显示屏。 本文章节结构安排如下： 第一章简单介绍了本文的课题研究背景、课题意义和论文内容与结构。 第二章简单介绍了l e d 显示屏的工作原理及系统组成。 第三章主要介绍了l e d 彩屏显示系统的硬件组成，其中a r m 和c p l d 是硬件的核心部分，重点介绍了这两部分以及其外围接口电路的具体设 计。 第四章主要介绍l e d 彩屏显示系统的软件设计，介绍了a r m 部分的软 件设计，包括启动代码部分，串行通信的软件和显示效果的软件设计。 基于c p l d 的扫描驱动电路部分，则详细介绍了c p l d 的内部各个功能 模块的工作情况。 第五章主要介绍了系统的仿真结果。 西北t 业大学硕+ 学位论文 第二章l e d 显示屏t 作原理及系统组成 第二章l e d 显示屏的工作原理及系统组成 2 1l e d 工作原理 2 1 1 简述 l e d ( l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ) t i p 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予发生复合放出过剩 的能量而引起光子发射，直接发出光。l e d 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1 0 万小时，比传统光源寿 命长1 0 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 0 3 - 0 0 6 瓦) 电光功率转换接近1 0 0 ，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：l e d 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2 5 6 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，l e d 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“高新尖墩术，具有在线编程，无限升级， 灵活多变的特点。 2 1 2l e d 特性曲线 l e d 的伏安特性( 图2 - 1 ) 与普通二极管类似，只是开始导通的正向电压比 较大，大约在1 5 3 0 v 之间，视不同的半导体材料而定。可以用以下公式描述。 卜枷等) 4 公式( 2 1 ) 西北工业大学硕七学位论文第二章l e d 显示屏工作原理及系统组成 其中：m 是符合因子，b 是反向饱和电流( m a ) ， c 是电子的电量，k 是波尔兹曼常数， u 是p n 结电压( v ) ，t 是绝对温度( k ) 当l e d 两端正向压降超过门坎电压时，l e d 开始发光，发光的波长取决于 电子跃迁的能量差。实际上l e d 发出的光，不是单一波长的光，而是某波段的 光。l e d 显示屏三基色纯度越高，光谱分布越窄，合成的图像颜色越自然。 a 丝1 2 3 9 8 1t1t n m ) 公式( 一2 - 2 ：) 一 j篮al ， 墟觇j 。 其中h 为普朗克常量，c 为真空中光速。 4 0 3 0 加 i o 图2 - 1l e d 的伏安特性曲线 总体上看发光强度是随正向电流的增加而增加的，但是不同半导体材料制成 的l e d 器件，其发光强度l 与正向电流i 的变化关系有所不同。图2 2 给出了由 a - g a a s p ( n ) 、b g a p ( n ) 和c - o a v ( z n - 三种不同半导体材料制成的黄、绿、红色 发光二极管l e d 器件的电流与发光强度的关系曲线。 拘也摊 i ( i i a - o a a s r ( n ) 黄色发光二极管，b g a p ( n ) 绿色发光二极管，c - o a e ( z n - o ) 红色发光二极管 图2 - 2l e d 发光强度与正向电流的关系 5 西北工业大学硕+ 学位论文第二章l e d 显示屏1 = 作原理及系统组成 l e d 显示屏应选用那些电流与光强敏感的管子。一般的l e d 发光强度正比 于电流的m 次方，当低电流密度时m = 1 3 1 4 ，大电流密度时m = l 。可见，在大 电流时光强随电流增加，这个特性使l e d 在窄脉冲驱动方式下，也可获得较高亮 度。 l = k 1 4 公式( 2 - 3 ) 其中：k 是一个常系数，i 是正向电流。 2 2 l e o 器件的驱动原理 从l e d 器件的特性可知道，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 的驱动就是如何使它的p n 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l e d 提供电流的方法。连接时令l e d 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l e d 显示屏上使用。这是由于l e d 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l e d 的正向电流也不尽相同，导致l e d 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l e d 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l e d 。在图2 3 中，是用三极管进行恒流驱动的 原理图。可以看出，l e d 的导通电流，与l e d 无关，取决于外参数。 l e d 管得正向电流是： p 小小警 公加- 4 ) 其中，v b 为外加基极电压，v b e 为基极发射极电压。由于三极管v b e 的分散 性比放大倍数b 的分散性要小，所以各l e d 器件的正向电流在其v b 与氏相同的 情况下，基本上可以保证是一致的。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章l e d 显示屏t 作原理及系统组成 v c cv c c 2 2 3 脉冲驱动 多l e d t 多l e d t r t 图2 - 3l e d 的恒流驱动原理 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i a 就应该与直流驱动的电流值相同。如图2 - 4 所示，平均电流h 是瞬时电流i 的时 问积分，对于矩形波来说，有 l t - q “) 孵d t l a - - i f ( t o n 1 ) 公式( 2 - 5 ) 公式( 2 6 ) i 一 +t o f 广 l f i i t 图2 4l e d 的脉冲驱动 其中t o n 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 a 与 直流驱动电流i o 相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足 i f = 口t o n ) l a = ( t t o l i ) i o 公式( 2 7 ) 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 t o l i 倍。 其次是脉冲重复频率的问题。l e d 的亮度感觉由一连串的亮度脉冲构成，频 7 西北t 业大学硕十学位论文第二章l e d 显示屏下作原理及系统组成 率太低时，有闪烁现象。根据人眼的视觉惰性，已经知道脉冲重复频率必须高于 2 4 h z 时，否则就会产生闪烁现象。所以在l e d 屏上点亮l e d 的脉冲重复频率必 须大于2 4 h z 。在实际应用中，往往采用更高的频率。l e d 器件的上限工作频率 大约在十几兆赫到数百兆赫范围内。 脉冲驱动的主要应用有两方面：扫描驱动和占空比控制。扫描驱动的主要目 的是节约驱动器，简化电路；占空比控制的目的是调节器件的发光强度，多用于 图像显示的灰度级控制。 2 3 l e d 显示屏多灰度产生原理 在l e d 屏上要求所有同色l e d 在相同的驱动时管亮度是均衡的，而且要求可以 方便的控制每个点的亮度，以显示多灰级效果。l e d 全彩屏真实地重现动态图像， 必须保证丰富的灰级，全彩l e d 每一基色都有8 位二进制表示数，具有r = 2 5 6 个灰 度层次，三基色就可以合成2 5 矿= 1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色，即真彩色。 由于人的视觉特性，人眼对某亮点的感觉不仅与该点的亮度有关，还与该点 被点亮的时问长短有关，因此发光管的亮度通过控制二极管点亮的时间来实现灰 度层次，即在l e d 显示屏中，灰度级的控制就是对l e d 发光二极管点亮时间的控制。 对于l e d 发光二极管，灰度控制方法主要有两种，即驱动电流控制法和驱动脉冲 占空比控制方法。 电流控制法是通过控制恒流驱动的电流大小，来控制l e d 的亮度。这种方法 从模拟电路的角度进行分析，在应用到数字电路时，还存在着一定的问题。关键 在于如何把点阵上各个l e d 的灰度数字量转换成相应的模拟量，当然可以采用d a 变换的方法来解决这个问题，但是考虑到最起码在一行内的各列需要同时显示这 一事实，d a 变换器的数量最低也要和列数相等，这是十分可观的，在工程上是很 难实现的。 占空比调节的方法是一种工程可实现的方法，现在的l e d 图像屏均采用此方 法。即在一定的显示重复扫描频率下，l e d 器件的亮度由发光时间k 与扫描周期t 的比t a 。肛( 占空比) 进行控制，如图2 5 所示。用占空比调节l e d 的亮度，是发光 能量与人眼暂留作用两者结合的产物。在相同的l e d 正向电流作用下，t o b 越长发 光能量越大，只要周期性扫描的速度足够快的话，人眼发觉不了一个周期内不发 光的部分( 即无闪烁现象) ，只是感觉l e d 的亮度更高。显然，调节驱动脉冲的 占空比就是调节发光时间长度，可以获得不同的l e d 的发光亮度。一般来说l e d 大屏幕l e d 管的发光是采用脉冲方式驱动的，通过控制单位时日j 内l e d 管的导通时 间，即通过调节脉冲的占空比，可获得不同的灰度，由此可见组成单位像素点图 8 西北工业大学硕士学位论文第二章l e d 显示屏工作原理及系统组成 像即驱动红、绿、蓝l e d 管的数据信号的量化比特数越多，由此可实现的灰度级 别越多。 -l 图2 - 5 占空比发光时间与扫描周期比 在一定的扫描周期内，占空比为1 时完全点亮( 相当于静态最亮) ，它对应于8 位 二进制数的1 1 1 1 1 1 1 1 ，占空比为0 完全不亮的情况对应于8 位二进制0 0 0 0 0 0 0 0 。为了让 l e d 显示出2 5 6 个灰度等级，可以将显示时问分为2 5 5 等分，对应不同的数据，点 亮的时间也是不同的，高电平时对应点亮时间，亮的时间长，平均亮度自然要大。 如图2 - 6 所示，形成o 2 5 5 个不同宽度的脉冲，对应于l e d 的2 5 6 个亮度阶梯。 m 2 蝴厂t 一5 心6 耥镊_ 丁一心6 ： ； 第1 嬲厂 厂一t , , _ ，t 1 2 7 2 5 ，6 第4 级j f l t - r t r = 3 r 2 5 6 第3 攮0i l t 。，r 啦5 6 第2 援j 。l 一t , , j l - i 2 5 6 图2 - 68 位二进制数与2 5 6 级灰度的脉宽示意图 2 4 l e d 彩屏显示系统的组成 本文研究的l e d 彩屏是l e d 彩色图文显示屏，主要用在公共场所，显示各 种点阵、各种字体的文字信息和图形信息。同时，还要求用两位二进制数来表示 4 级灰度等级。 2 4 1 系统的设计目标 ( 1 ) 显示屏大小设计为：3 2 行x 2 5 6 列； ( 2 ) 能够通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 从上位计算机接收图像和文字信息； 9 西北- t 业大学硕十学位论文第二章l e d 显示屏工作原理及系统组成 ( 3 ) 实现灰度显示，灰度等级为4 级( 2 b i t l p i x e l ) ； ( 4 ) 按设定的显示效果显示图像； ( 5 ) 可以设定并显示时间( 年月日、时，分秒) ( 6 ) 可以显示环境温度； ( 7 ) 能够存储2 0 0 幅画面。 2 4 2 l e o 彩屏显示系统结构 该系统主要由三部分组成：p c 机，显示控制电路和l e d 显示屏构成，如图 2 - 7 所示。p c 机在控制中作为上位机，用于对下位机的控制和管理。本次研究的 重点是显示控制电路，a r m 和c p l d 是显示控制电路的核心部分，共同完成数 据的转换，控制信号的发送产生以及对l e d 显示屏的动态扫描控制，其中数据转 换信号控制部分采用a r m 实现，而l e d 显示屏的扫描驱动电路采用c p l d 来完 成。上位机与下位机之间的通信采用标准的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 计算机数据串行通讯 方式。l e d 显示屏在显示控制电路的作用下，主要完成以下功能：按照上位机设 定的显示效果显示图像和文字( 如：左右移动，上下移动，收缩显示，雪花显示， 丢字显示等) 。由于系统有内置时钟和温度传感器，故显示屏还可以循环显示日期、 时间( 年月日，时，分，秒) 以及环境温度。同时还要求控制电路部分能够向l e d 显示屏发送色彩和灰度控制信号及行列控制信号等。这三部分各自相对独立，完 成各自的功能，但相互间还有联系及数据信息的交换，各种条件相互制约，在系 统的协调下统一工作。 厂一一一一一一一一一一一一一一一1 i显示控制电路i t - 一一j 图2 7 系统组成框图 2 4 3 每部分的组成和功能 1l e d 显示屏 l e d 显示屏是以发光二极管为像素，由l e d 点阵显示单元拼接而成的。不 论是图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应 的l e d 器件发光。根据屏幕所需的平面面积大小，选择一定数量的l e d 。用点 1 0 西北工业大学硕七学位论文第二章l e d 显示屏工作原理及系统组成 阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设 计好合适的数据文件，每个l e d 发光器件占据数据中的一位，通过对点阵上全部 的l e d 进行控制，在需要该l e d 器件发光时数据中相应的位填1 ，否则填o ，这 样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构 成一个显示数据文件，得到满意的显示效剁6 】。 由于文字的显示点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模， 如汉字的宋体、楷体和黑体等多种可供选择的方案；其大小也可以有1 6 x 1 6 、 2 4 2 4 、3 2 3 2 、褐4 8 等不同规格1 7 1 。 本次研究的是由8 x 8 的三色( 红绿蓝) l e d 点阵显示单元拼接而成的3 2 行 x 2 5 6 列的彩色条屏，这就需要使用1 2 8 块8 x 8 点阵显示单元，按4 x 3 2 块方式组 成。对l e d 显示屏采用的是逐行动态扫描的工作方式，由峰值较大的窄脉冲驱动， 逐次不断地对显示屏各行进行选通，同时又像各列送出表示图形或文字信息的脉 冲信号，反复循环，从而显示各种图像或文字信息。 2 上位计算机 上位计算机主要用于人机交互，完成对显示控制电路的显示数据发送以及设 置l e d 显示屏的显示效果。用户在上位机上通过控制软件将编辑好的文字图片信 息和相应的控制命令通过串行通信传输至系统的显示控制电路部分，l e d 显示屏 即可根据用户选择的方式循环显示用户编辑好的文字和图片。本系统还具有脱机 显示的功能。在这种方式下，用户将显示的内容传送至显示控制电路部分后，上 位计算机就可以不再介入显示的过程，显示系统可以根据用户设定的模式显示所 要显示的信息内容。 3 显示控制电路 显示控制电路是l e d 彩屏显示系统的重要部分，这部分主要由输入接口电 路，数据转换及信号控制电路，扫描驱动电路三部分组成。主要负责与上位机进 行通信，解析上位机发送的指令集，编制显示效果的算法，存储显示数据，安排 控制信号扫描l e d 大屏幕等。 输入接口电路是采用标准的r s 2 3 2 计算机数据串行通讯方式。此方式通讯速 度较慢，且距离不能太远，只有2 0 米左右。因此在需要远距离传输时，r s 2 3 2 接口不能满足要求，这时通信转换电路需要将r s 2 3 2 标准的数据转换成r s 4 8 5 标准，以便进行远距离传输。此方式通讯速度快，且距离远，可达到1 0 0 0 米左右。 l e d 彩屏显示方式可分为静态显示和动态扫描显示两种。静态显示是指将一 幅画面输入以后要保持到下一幅画面的输入；动态扫描显示是指将画面分为若干 部分分别进行刷新。静态显示每个像素需要一套驱动电路，动态扫描显示则采用 多路复用技术：而且，对于静态显示，需要较多的译码驱动装置，需要的引线也 比较多，对于动态扫描显示，可以避免以上的不足，但容易造成显示亮度低、屏 西北工业大学硕十学位论文第二章l e d 显示屏t 作原理及系统组成 幕闪烁等问题。在实际的l e d 大屏幕显示中，很少采用静态显示。本次设计采用 动态扫描显示方式。对于以动态扫描方式工作的显示系统，扫描时间的确定比较 重要，根据人眼视觉暂留现象，若每秒显示2 4 帧以上，便可得到稳定的显示，取 每秒2 5 帧，即完成对全屏的一次扫描时间为4 0 m s ，那么，只要每次完成对全屏 的扫描时间不超过该值，将会得到较为稳定的显示。当显示屏做得越大，即屏幕 的点阵越多，向显示屏发送的数据就越多，数据传输与控制的时间也会增加，即 完成一屏扫描的时间也会越长。因此，在具体的设计中必须要考虑到这个因素。 为了满足这一要求，关键在于提高程序的执行速度，可以选择更快的c p u ，或数 字信号处理芯片( d s p ) 。事实上，l e d 显示屏控制器，要求的数字信号处理能 力并不高，主要要求的是显示数据的访问和控制信号的产生。对于这两项功能， 采用基于a r m 核的3 2 位嵌入式r i s c 为处理器是完全可以胜任的。基于a r m 核的3 2 位微处理器的速度较高，而且存储容量较大。因此本课题采用基于a r m 核的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器组成l e d 彩屏显示系统的一部分，a r m 完成的 主要功能有：能够从上位计算机接收信号，按设定的显示效果显示图像。 另外，本次课题突破了常规的用中小规模集成电路实现显示系统的方法，采 用c p l d 来实现l e d 大屏幕显示系统的扫描驱动电路部分，并结合硬件描述语言 v h d l 进行编程。实现了在系统可编程( i s p ) ，使系统小型化、集成化，缩短了 设计周期，改善了系统的性能。c p l d 是构造大屏幕的高速扫描电路的核心部分， 该部分将从a r m 接收到的灰度数据分时存储到外部扩展的两片s r a m 的不同位 置，并且将从s r a m 中读出的灰度数据转换成显示屏要求的上屏数据，串行发送 给l e d 大屏幕。 2 4 4 系统原理设计 显示控制电路的整体原理框图如图2 - 8 所示。上位机通过串口经过r s 2 3 2 转 换器将指令集发送给a r m 微处理器，a r m 微处理器把接收到的指令集放入外部 的f l a s h 中保存，断电后内容不丢失；同时a r m 外部扩展两片s r a m 用于存 放快速运算的数据；光传感器和温度传感器用来测量外界的光和温度，以便随着 光线的强弱改变显示屏的亮度，同时在显示屏上显示出外界温度。c p l d 完成对 l e d 屏的扫描驱动过程，其内部固化的数字逻辑负责产生屏幕显示控制信号：串 行移位时钟、行锁存信号、行选信号等，其外部配置的两片s r a m 用于分时读取 灰度数据。同时，c p l d 从s r a m 中读取灰度数据信号，并将其转换成上屏数据 后串行输出到相应的颜色的信号数据总线上。 西北下业大学硕士学位论文第二章l e d 显示屏1 = 作原理及系统组成 图2 - 8 显示控制电路的原理框图 c p l d 外部扩展的两片s r a m 组成了数据缓冲、切换区，采用乒乓逻辑，某 一时刻向一片存储器写入数据，另一片被c p l d 逻辑读取数据转换后送入显示屏。 两者轮流切换，保证了数据的高速上屏和显示的连续性。a r m 外部配置大容量 的s r a m 和f l a s h 存储器，与传统的显示屏控制电路相比较，可以支持更大的 显示区域、存储更多的显示内容、获得更好的显示效果。 2 5 本章小结 本章主要介绍了由l e d 点阵构成的l e d 显示屏的基本工作原理，提出了本 次课题研究的l e d 彩屏显示系统的组成，并且指出a r m 和c p l d 作为l e d 彩 屏显示控制电路的重要性。 西北工业大学硕士学位论文 第三章l e d 彩屏显示系统的硬件设计 第三章l e d 彩屏显示系统的硬件设计 3 1a r g 和c p l d 技术简介 3 1 1a r g 技术简介 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业， 该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的r i s c 处理器、相关技术及软件。a r m 公司的处理器具有性能高、成本低和能耗小的特点，适用于多种领域。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 r m 技术知识产权i p ( i n t e u e c t u a lp 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，以遍及工业控制、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 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 r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容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。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列等，这些处理器处理具有a r m 体系结构的 共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。用户 如果希望使用标准l i n u x 等操作系统，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有 m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i 0 功能的a r m 芯片。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ， 不支持标准的l i n u x ，但目前有u c l i n u x 操作系统等不需要m m u 支持的操作系 统可运行于a r m t t d m i 迎接平台之上，使用也非常方便。大多数的a r m 微处 理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统是外扩存储器。除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相 关功能模块，并集成在芯片之中，即为片内外围电路。 一般来说，选用处理器的时候要考虑性能、开发难易程度、开发成本、相关 资料公开性等因素。很多微处理器体系结构各有特点，以适应应用在不同领域。 从研究可行性出发，本设计采用了a r m 体系结构的a r m 7 t d m l 内核。它是世 西北工业大学硕士学位论文第三章l e d 彩屏显示系统的硬件设计 界上广泛使用的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，目前主要用于低端的设备，最适用于 对价位和功耗敏感的应用。选择a r m 的另一个原因是以a r m 微处理器为核心 的硬件方案比较多，也较为成熟。 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p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4 芯片，该款a r m 微处理器是一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 蹦c t u 的微控制器，芯片内部集成了通用i ，0 口、u a r t 0 & i 、 s p i 串行接口、1 2 c 串行接口等多个功能模块，很适合终端类产品的开发。 3 1 2c p l d 技术简介 现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和复杂的可编程 逻辑器件( c t l d ：c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 同属于近年来发展迅速 的大规模可编程专用集成电路( a s i c ) 。它们都是在p a lg a l 等逻辑器件的基 础之上发展起来的。同以往的p a l g a l 等相比较，f p g a c t l d 的规模比较大， 适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用i c 芯片。 这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件，这种芯片具有可编程性和实现 方案容易改动的特点。由于芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在磁盘、r o m 、 p r o m 或e p r o m 中，因而在可编程门阵列芯片及外围电路保持不懂的情况下， 换一块e p r o m 芯片，就能实现一种新的功能。可编程a s i c 器件的使用，使设 计的电子产品达到小型化、集成化和高可靠性，而f p g a 器件的现场可编程技术 和c t l d 器件的在系统可编程技术使可编程器件在使用上更为方便，大大缩短了 设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。 3 1 2 1c p l d 的结构与特点 对于c p l d 器件，可以认为c p l d 是将多个可编程阵列逻辑( p a l ) 器件集成到一 个芯片，具有类似p a l 的结构。一般情况下，c t l d 器件中至少包含三种结构：可 编程逻辑功能块( 】m ) ，可编程i o 单元，可编程内部连线。f b 中包含有乘积项、宏 单元等。部分c p l d 还集成了r a m 、f i f o 或双d r a m 等存储器，以适应d s p 应用 设计的要求。图3 1 是c p l d 的结构原理图。 为了便于应用，c p l d 具有以下特点： ( 1 ) 时钟信号可以是器件外部输入的全局时钟，也可以是内部“乘积项”或者 “和项”产生的异步时钟，并且时钟的有效边沿可以选择为上升沿，也可以选择为下 降沿。 ( 2 ) 提供异步的“乘积项”或者“和项”构成的寄存器的置位复位信号。 西北工业大学硕+ 学位论文 第三章l e d 彩屏显示系统的硬件设计 叫竺卜一竺巾 廿撕 i ，o = f a s t c o n n e c ti ，o 廿 s w i t c hm a a - i x 撕 廿 4 i 斗一u l 图3 1c e l t ) 的结构原理 ( 3 ) 每一种器件都有多种封装；每一种封装都有多种容量的器件，且引脚兼 容，便于设计移植和升级。 ( 4 ) 遵守外围部件接口( p c 0 技术规范，能够与p c i 总线连接，实现复杂的p c i 设计。 ( 5 ) 提供一定的全局网线和缓冲器。全局网线由全局缓冲器驱动，为信号提 供最短的延时和可忽略的扭曲。 ( 6 ) 目前，大多数的f p g a 和c p l d 器件都具有符合m e e1 1 4 9 1 技术规范的边 界扫描测试( j t a g ) m = 路，可以方便地进行芯片和板级的测试。 ( 7 ) 每个w 引脚口有单独的、可编程的输出电压摆率控制位，可配置成高摆 率或低摆率输出。在速度要求低的情况下，采用低摆率可减小印制板上线间干扰 和地线上的毛刺。 ( 8 ) 针对某种器件的某一种封装形式，都有不同速度等级的芯片，以满足不 同速度要求的需要。 ( 9 ) 具有三态门，可实现总线结构。对于i o 驱动能力强的器件，可以在印 制板上直接驱动总线。 3 1 2 2c p l d 的设计 c p l d 的设计大体上有设计输入，设计综合、设计仿真、设计实现和配置下 载几个步骤。目前，有很多e d a 的工具可以用于c p l d 的设计，大大简化了设 计过程。 1 设计输入 c p l d 的设计输入可以使用原理图和硬件描述语言h d l 输入两种方式。原理 图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工优化电路方面具有图形化的优势，调用 所用c p l d 厂家的元件库，可以直观的形成硬件电路。而h d l 是当前设计大规模 1 6 西北工业大学硕士学位论文第二章l e d 彩屏显示系统的硬件设计 集成电路的主要方式，各c p l d 厂家也推出了自己的专用标准的h d l 。它在状态 机、控制逻辑和总线等方面功能较强，可以简化操作过程，提高输入效率。用h d l 描述的电路在可以用具体硬件电路来较好的实现。现在常用的方式是以h d l 语言 为主，原理图为辅，进行混和设计。近年来出现的很多图形化h d l 设计工具，把 二者结合在一起，可以把逻辑结构图、状态转移图、数据流图、控制流图等图形 转换成相应的h d l 语言描述的文本。由c p l d 厂家提供的开发软件设计了与很多 第三方软件的接口。用户可以使用自己习惯的第三方软件进行设计输入，然后通 过接口导入开发软件进行布局布线等。布局工作完成后，还可以将生成的文件导 出到第三方软件进行后续处理。 2 设计综合 对于输入的h d l 文件，依照它所描述的逻辑功能要求和必须满足的约束条 件，对其进行计算机优化处理，得到一个符合要求的电路设计方案，就是设计综 合的过程。综合的过程是由厂家提供的设计综合器来完成的，它得到的是同时满 足预期功能和约束条件的硬件电路的实现方案。这个方案可能有多个，综合器会 在用户的指令下或者自动产生一个接近最优的方案。由s y n o p s y s 公司提供的综合 器c o m p i l e r 是目前一个比较完善的c p l d 逻辑分析、综合和优化的工具。它对未 经优化的输入文件，按照s y n o p s y s 标准的h d l 语言规则自动进行分析并纠正语 法错误。然后以选定的结构和器件为目标，对h d l 和c p l d 网表文件进行逻辑 综合。对于较大的设计模型，还可以采用层次化方式进行综合，先综合下级模块， 再综合上级模块。最后根据用户的设计约束进行逻辑优化，产生一个优化的c i l d 网表文件，供后续的c p l d 设计专用软件进行布局和布线。综合完成后，综合器 会输出报告文件，列出综合状态与结果，比如资源的使用情况、综合后的层次等， 供用户参考。 3 设计仿真 要成功的进行c p l d 应用系统的设计，在过程中就至少需要两次仿真。是 逻辑功能仿真，即对综合后得到的结果进行功能性的验证，考察所设计的系统逻 辑图有无错误，能否达到设计的功能要求，而不考虑硬件电路的影响。二是对布 局布线，也就是下一节中的设计实现后所进行的时序仿真，这里要考虑不同的布 线方式、分区规划和硬件电路所产生的各种时延对系统功能的影响。仿真是c p l d 设计中的重要一步工作。c p l d 和第三方厂家都提供了不同的仿真工具，用户可 以根据需要选择。 4 设计实现 在经过了功能仿真后，就要利用实现工具把逻辑映射到目标器件的资