（光学工程专业论文）基于arm7的嵌入式高速公路led显示屏控制技术研究.pdf

中文摘要 高速公路l e d 显示屏的控制系统，主要用于控制高速公路可变情报板。本 系统在中心控制室的管理下，可实时向高速公路l e d 显示屏发送天气、路况、 交通阻塞及疏导等信息，以便增强交通管理的应变能力，实现交通管理的目标一 快速、安全、舒适、高效。 本文的主要任务是设计以l p c 2 2 1 4 为核心的整个系统软、硬件，实现通过 串口与上位机的通信、字库处理、亮度调节以及扫描显示等。 本文的主要工作为： 1 、在研究高速公路l e d 显示屏控制系统性能需求的基础上，分析和讨论了 a r m 7 一l p c 2 2 1 4 的性能和外围电路的配置，提出了参数设计和外围芯片电路的 选型原则。7 2 、完成了基于a r m 7 一l p c 2 2 1 4 的高速公路l e d 显示屏控制系统的总体 设计方案，并进行了可行性讨论。 3 、在设计方案的基础上，完成了a r m 控制器、亮度自动调节、图形液晶 模块、字库与基本图形模块、串口通信、电源等电路的设计、制作和调试。 4 、完成了整体控制系统软件，包括系统b o o t 与配置、功能单元软件、通 信帧结构和通信等各软件模块程序的设计和调试。 5 、进行了系统的理论分析，完成了现场实际运行和仿真实验工作。 本文的研究成果高速公路l e d 显示屏的控制系统，经过反复实验，目 前已在山东省高速公路上批量成功应用。 关键词：l e d 显示屏l p c 2 2 1 4 串口字库s r a m 亮度调节扫描显示 a b s t r a c t t h ec o n t r o ls y s t e mo fe x p r e s s w a yl e dd i s p l a yi s m a i n l yu s e di nc o n t r o lt h e v a r i a b l ei n f o r m a t i o nb o a r d 。i nt h ec o n t r o lc e n t e rm a n a g e m e n t ，t h es y s t e mc a ns e n d w e a t h e ri n f o r m a t i o n ，r o a ds t a t u s ，t r a f f i cj a ma n dl 乩d i n gi n f o r m a t i o n ，i no r d e rt o e n h a n c et h es t r a i n a b i l i t yo ft r a f f i cm a n a g e m e n t ，r e a l i z et h et a r g e to ft h et r a f f i c m a n a g e m e n t _ 唧e e d , s a f e ，c o m f o r t a b l ea n dh i l 曲e f f i c i e n c y t h em a i nw o r ki st od e s i g nl p c 2 21 4a tt h ec o r eo ft h ee n t i r es y s t e ms o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，a c h i e v e df o n th a n d l i n g ，a d j u s t i n gb r i g h t n e s sa n ds c a n n i n gd i s p l a yt h r o u g h t h es e r i a lp o r ta n dp cc o m m u n i c a t i o n s t h em a i nw o r ki n c l u d e ： 1 ) b ys t u d yt h en e e do ft h ec o n t r o ls y s t e mo fe x p r e s s w a yl e dd i s p l a y , t h e c a p a b i l i t ya n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i tc o n f i g u r a t i o no ft h ea r m 7 - l p c 2 2 14w a s a n a l y s e da n dd i s c u s s e d ；t h ed e s i g n p a r a m e t e ra n dt h es e l e c t i v ep r i n c i p l eo ft h e p e r i p h e r a lc m o sc h i pc k c u i tw a sb r o u g hf o r w a r d 2 、b a s e do nt h ec o m p l e t i o no ft h ea r m 7 一l p c 2 21 4e x p r e s s w a yl e dd i s p l a y c o n t r o ls y s t e md e s i g np r o g r a mw a sa c c o m p l i s h e da n dt h ed i s c u s s i o nw a sa l s ot a k e n 3 ) o nt h eb a s eo ft h eb l u ep r i n t t h ea r mc o n t r o l l e r , a u t o - a d j u s t i n go ft h e l i g h t e n e s s ，f i g u r el e dm o d u l e ，c h a r a c t e r - b a s ea n db a s i cf i g u r em o d u l e ，s e r i a l i n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n , t h ed e s i g n n i n g , f a e t u r ea n dd e b u g g i n go ft h ep o w e rs u p p l y c i r c u i tw a sa c c o m p l i s h e d 4 ) t h es o f t w a r eo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gs y s t e mb o o ta n d c o n f i g u r e ，f u n c t i o nu n i ts o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i o nf r a m es t r u c t u r e ，d e s i g n n i n ga n d d e b u g g i n go fc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r em o d u l ew a sa c c o m p l i s h e d 5 】t h ea c a d e m i ca n a l y s i sw a st a k e n ；t h es p o tr u n n i n ga n de m u l a t i o n a lt e s tw e r e a c c o m p l i s h e dt o o t h er e s u l to ft h es t u d ，一e x p r e s s w a yl e dd i s p l a yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hh a s p a s s e dt i m e st e s t s ，i su s i n gi nb a t c h e si ns h a n d o n gp r o v i n c es u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：l e d d i s p l a y , l p c 2 2 1 4 ，s e r i a li n t e r f a c e ，c h a r a c t e r - b a s e ，s r a m , a d j u s t t i n go ft h el i g h t e n e s s ，s c a nd i s p l a y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j j 棒希 签字日期：洲7 年易月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞苤鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 寻码林海 签字日期：姗7 年1 7 月，岁同 新签名善域牛 签字r 期：砷年6 月，厂日 天津大学同等学力硕士学位论文基于a r j v l 7 的嵌入式高速公j l e d 显示屏控制技术研究 第一章绪论 1 1 高速公路l e d 显示屏控制技术的现状与水平 我国l e d 显示屏产业从九十年代开始，经过十多年的发展，目前已初具规 模，产品应用涉及金融证券、银行、火车站、飞机场、广告宣传等诸多领域。近 几年，随着各地高速公路的迅速修建，专用于高速公路上的各种l e d 显示屏应 运而生。它们可以实时显示或循环播放文字、图形信息，具有显示方式丰富、响 应快、亮度高等特点，作为智能交通系统的信息显示终端，有效提高了道路的通 行能力。 高速公路l e d 显示屏有的是龙门架式的条型显示屏，有的是f 型显示屏， 形状各异，颜色不一，点阵密度各不相同，但功能都是相同的：上位机通过控制 系统可随时向位于高速公路上的l e d 显示屏发布信息，完成对车辆的交通诱导 工作；控制系统反馈各种信息到上位机，如确认信息、故障信息、警告信息等， 以便上位机及时判别l e d 显示屏的工作状态。因此，控制系统作为上位机和l e d 显示屏之问的桥梁。其作用相当重要。 l e d 显示屏的控制芯片多使用m c s 5 1 系列的单片机，外加f l a s h 、s r a m 芯片构成最小系统，数据刷新，显示更新以及数据通信都由单片机完成。这种控 制系统体积小，重量轻，成本低，抗干扰能力也较强，但单片机的接口数量较少， 驱动能力不强，必须扩展一定的硬件电路才能满足需要，同时单片机的资源是有 限的，主振频率多选用1 2 m ，执行条指令最少也要1 u s ，当显示屏的显示刷新 周期较小时，数据传输占用的时间就不能太长，因此单片机控制的显示面积受到 很大限制j 。 驱动控制芯片多使用常规锁存器，由于它们只具有简单的锁存功能，只能控 制发光器件的通断( 发光或熄灭) ，对发光强度的控制难以实现l z 】。 由于l e d 显示屏的象素多，多数控制系统为节省硬件常采用动态扫描方式。 每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器，由行译码器给出的行选 通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描( 把该行与电源的一端接通) 。 另方面，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一 端接通。接通的列就在该行该列点燃相应的l e d ，未接通的列所对应的l e d 熄 灭。当行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。全部各行 都扫过遍之后，又从第一行开始下一个周期的扫描。只要一个扫描周期的时间 第一章绪论 比人眼的1 2 5 秒的暂留时间短，就不容易感觉出闪烁现象。各列锁存的数据传 输时可以采用并行方式或串行方式，并行方式硬件数目多，传输速度快，串行方 式节省硬件但传输速度慢。对于小型的l e d 显示系统来说，采用动态扫描方式 是可行的，但对大屏幕来说，随着象素的增加，数据传输将占用大量的时间，屏 幕的显示亮度会明显下降，特别是对于户外的大屏幕显示系统o - s ，采用这种方 法设计将无法达到实用的效果。 随着嵌入式技术的飞速发展，基于a r m 系列处理器的技术在众多领域得到 应用，在a r m 微处理器系列中，a r m 7 微处理器系列应用最广，其性价比也很 高，用它取代单片机作为高速公路l e d 显示屏的控制芯片最为适合。驱动控制 芯片目前普遍采用l e d 专用集成电路，它可根据l e d 显示的特点，对灰度及每 个象素进行控制及调节这就使得显示亮度和色彩效果都有了较大的提高。总之， 新技术的发展、新器件的使用必定会使l e d 显示屏的控制系统更具有市场竞争 力。 1 2 本项目的需求背景与任务 本项目作为天津光电集团公司生产的高速公路l e d 显示屏的控制系统，主 要用于控制山东省高速公路可变情报板，其技术规范为： l e d 显示屏的控制系统由系统控制电路( 硬件部分) 和固化在f u 婚h 中的 操作系统( 软件部分) 所组成，控制系统的核心是嵌入式c p u 。l e d 显示屏的 所有功能就由控制系统来完成。 、通信功能 l e d 显示屏带有一个通信接口，可接收来自上位机的命令，并把命令的 执行结果返回给上位机。 检测l e d 显示屏的当前运行状态，并返回故障信息，同时可以预先设 置控制系统在监测到故障时采用的相应措施。 改变l e d 显示屏的显示内容。 上位机通过发送通信命令，可切换l e d 显示屏的显示方式( 正常方式 或演示方式) ，并可指定l e d 显示屏在每种显示方式下的具体显示内容。 下载文件至l e d 显示屏的f l a s h 中，以便用于系统升级、增加字库、 更改或增加预置的显示内容、更改或增加图标、更改l e d 显示屏当前 显示内容。 检测l e d 显示屏的当前显示内容。 一 天津大学同等学力硕士学位论文基于a r m ? 的嵌入式高速公路l e d 显示屏控制技术研究 开启或关闭l e d 显示屏。 手动设置l e d 显示屏当前的显示亮度：自动设置l e d 显示屏当前的显 示亮度。 通信正常的情况下，对轮询指令的反应时间不超过0 3 秒。 停电时l e d 显示屏为全黑状态。电源恢复后，设备自动接受监控室计 算机的命令，转入正常工作，无需人工复位。 控制器能够防止由于电气故障、人为故障、意外因素而造成的矛盾状态 显示。 显示屏的l e d 像素失控率达到1 0 时，显示屏自动进入黑屏保护状态。 二、显示功能 l e d 显示屏的显示功能基于播放表格式。此播放表格式类似于节目单， 在此播放表中设置有显示内容，然后对显示内容定义其所要显示的字符 串、出字方式、出字速度、停留时间等等。l e d 显示屏系统能接受监控 室实时编辑的各种控制指令，直接驱动显示屏发布各种诱导信息。 出字方式有：清屏( 全黑) 、静止显示、左移、右移、上移、下移、横 百页窗、竖百叶窗、闪烁等。 全彩部分可显示简单图形或限速值，与文字部分一样，可闪烁显示，显 示闪烁的亮、灭时间分别在0 5 s 6 0 s 可调。 识读方式：从左到右。 可以显示国标一、二级字库中的所有汉字、g b 2 3 1 2 指定的全部汉字和 数字字符及简单图形，汉字点阵可以是1 6 1 6 、2 4 2 4 、3 2 x 3 2 ，数 字点阵、英文字母点阵可以是1 6 x 8 、2 4 x1 2 、3 2 x1 6 ，所有显示内 容在最大动态和静态视认距离内清晰可认，并能控制全亮与全灭。其汉 字字体、粗细、汉字间距、距屏两侧距离均可调。无显示内容时，显示 屏为全黑，无任何亮点。 三、测试功能 l e d 显示屏轮流显示横条、竖条、全亮，方便检测l e d 显示屏各象素 管的好坏。 默认显示信息中，显示大小不同的各种字体，以检测字库的完整性。 第一章绪论 1 3 本文所完成的主要工作 本课题以高速公路l e d 显示屏的显示为研究对象，为满足其显示方式多样、 亮度可调及高可靠性等特点设计了高速公路l e d 显示屏控制系统。 本文主要完成以下工作： 1 、在研究高速公路l e d 显示屏控制系统性能需求的基础上，分析和讨论了 a r m 7 一l p c 2 2 1 4 的性能和外围电路的配置，提出了参数设计和外围芯片电路的 选型原则。 2 、完成了基于a r m 7 一l p c 2 2 1 4 的高速公路l e d 显示屏控制系统的总体设 计方案，并进行了可行性讨论。 3 、在设计方案的基础上，完成了a r m 控制器、亮度自动调节、图形液晶模 块、字库与基本图形模块、串口通信、电源等电路的设计、制作和调试。 4 、完成了整体控制系统软件，包括系统b o o t 与配置、功能单元软件、通 信帧结构和通信等各软件模块程序的设计和调试。 5 、进行了系统的理论分析，完成了现场实际运行和仿真实验工作。 本文的研究成果高速公路l e d 显示屏的控制系统，经过反复实验，目 前已在山东省高速公路上批量成功应用。 天津大学同等学力硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式高速公路l e d 显示屏控制技术研究 第二章a r m 7 - - l p c 2 2 1 4 的基本原理 2 1嵌入式系统的基本分类与分析 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统1 5 】。它由微处理器、定 时器、存储器、传感器等器件，和嵌入在存储器中的控制软件组成，共同实现实 时控制、监视、管理、数据处理等任务。嵌入式系统以应用为中心，以计算机技 术和控制技术为基础，软件硬件可裁剪，以满足系统的低成本、高可靠性、高性 能、低功耗等要求。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理裂刀，根据其现状，嵌入式 计算机可以分成以下四类。 2 1 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e dmic r o p r o c e s s o ru n t e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装 配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅 度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器 在功能上和标准微处理器基本是一样的，但一般在工作温度、抗电磁干扰及可靠 性等方面都做了各种增强。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低及可 靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口及各种外设等 器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储 器、总线和外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。 嵌入式微处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、 6 8 0 0 0 、m i p s 和a r m 系列等。 嵌入式微处理器又可分为c i s c 和r l s c 两类。台式p c 机都是使用c f s c 微处理器。r i s c 结构体系有两大主流：s i l i c o ng r a p h i c s 公司的m i p s 技术， a r m 公司的a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 技术。r i s c 和c i s c 是目前设计制造微 处理器的两种典型技术，它们采用的方法不同，因此存在很大差异。 指令系统：r i s c 的指令系统简单高效，而c i s c 的指令系统比较丰富。 存储器操作：r i s c 对存储器操作有限制，使控制简单化，而c i s c 的存储 器操作指令多，操作直接。 程序：r i s c 程序需要较大内存空间，而c l s c 程序编程相对简单。 第二章a r m 7 - - l p c 2 21 4 的基奉原理 中断：r i s c 在一条指令执行的适当地方可以响应中断，而c i s c 是在一条 指令执行结束后响应中断。 c p u - r i s cc p u 包含较少的单元电路，功耗较低，而c i s cc p u 包含丰 富的电路单元，功耗较大。 设计周期：r i s c 结构简单，设计周期较短，而c i s c 结复杂，设计周期长。 应用范围：r i s c 适合于专用机，而c i s c 更适合于通用机。 2 1 2 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o i i e ru n i t m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌 入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时，计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口脉宽调制输出、 a d 、d a 、f l a s hr a m 和e e p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不同的应 用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核 都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度 地和应用需求匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降，可 靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源丰 富，适合于控制，因此称为微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 1 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、 6 8 3 0 0 和数目众多的a r m 芯片等。 2 1 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i r a is i g n a ip r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较快。在数字滤波、f f t 及谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来 源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，二是在通过单片机或片上系统中增加d s p 协处理器。 推动嵌入式d s p 处理器发展的一个重要因素是嵌入式系统的智能化，例如 各种带有智能逻辑的消费类产品，带有加解密算法的键盘、实时语音压解系统等。 这类智能化算法运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正 是d s p 处理器所擅长的。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，用于移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。 天津大学同等学力硕士学位论文基于a r m ? 的嵌入式高速公路l e d 显示屏控制技术研究 d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 、d s p 5 6 1 0 0 和d s p 5 6 2 0 0 和 d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。另外p h i l i p s 公司近年也推出了基于可 重置嵌入式d s p 结构低成本、低功耗技术上制造的r 。e ，a ld s p 处理器，特点 是具备双h a r v a r d 结构和双乘累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 d s p 的设计者把重点放在处理连续的数据流上，在嵌入式应用中，如果强 调对连续的数据流的处理及复杂运算，则应选用d s p 处理器。 2 1 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一 个硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。各种通用 处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样， 成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库 中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工 厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成 到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对减小体积和功耗、提 高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括i n f i n e o n 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的m c o r e 、某些a r m 系列器件、e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯 片等。专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代 表性的产品的p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复 杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言 的专用s o c ，可用于公众互联网安全方面。 2 1 5 嵌入式处理器的选择 针对各种嵌入式设备的需求，各个半导体芯片厂商都投入很大力量研发和生 产各类嵌入式处理器芯片。用于嵌入式设备的处理器必须具有紧凑性好、功耗低、 成本低的特点。针对每一类应用，开发者对处理器的选择都是多种多样的。 由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样的。设计者在选择处理 器时要考虑到以下因素： 调查市场上已有的c p u 供应商。有些公司名气很大，而一些小公司也能生 产出优秀的微处理器。有一些公司，如a r m 、m i p s 等，它们只设计但并不生产 c p u ，他们把生产权授予世界各地的半导体制造商。a r m 是近年来在嵌入式系 统有影响力的微处理器制造商，其设计非常适合于小的电源供电系统。 处理器的处理速度。一个处理器的性能取决于多方面凶素：时钟频率，内部 寄存器的大小等。对于许多嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的 处理器，而是在于选取能够完成任务的处理器。 一 第二章a p , j v t 7 - - l p c 2 2 t 4 的摹本原理 技术指标。许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，从而减少了芯片的 数量，降低了整个系统的成本。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件 能否方便地连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控 制器、内存管理器、中断控制器、串行设备等的配套。 处理器的低功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、 p d a 、手机、智能家电等消费类电子产品，这些产品中选购的微处理器典型的特 点是高性能低功耗。 处理器昀软件支持工具。合适的软件开发工具对系统的实现起到推动作用。 处理器是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以缩小调试周期，降 低调试的难度。 处理器供应商是否提供评估板。许多处理器供应商可以提供评估板来验证你 的设计。 2 。2a r m - - l p c 2 2 14 的基本结构 2 2 1a r m 的体系结构 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，即可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称。还可以认为是一种技术的名字i q 。 传统的复杂指令集计算机( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，c i s c ) 结构 有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，计算 机的体系结构会越来越复杂。a r m 是精简指令集计算机( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ，r i s c ) ，其设计实现了外型非常小但性能高的结构。a r m 处理 器结构的简单使a r m 的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。它集成了非 常典型的r i s c 结构特性： 一个大而统一的寄存器文件。 装载，保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储 器进行操作。 简单的寻址模式，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决 定。 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元和移位器控制，以实现对算术逻 辑单元和移位器的最大利用。 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了循环的优化。 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量。 天律大学同等学力硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式高速公路l e d 显示屏控制技术研究 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。 这些在基本r i s c 结构上增加的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规模、 低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。 2 2 2l p c 2 2 1 4 的基本结构 l p c 2 2 1 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位a r m 丌d m i s c p u ， 并带有2 5 6 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的 加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。 由于l p c 2 2 1 4 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位 a d c 、p w m 通道以及多达9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、 访问控制和电子收款机。l p c 2 2 1 4 包含7 6 1 1 2 个g p i o 。由于内置了宽范围 的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解 调器以及其它各种类型的应用。 第二章a r m t - - l p c 2 2 1 4 的基本原理 l p c 2 2 1 4 的结构框图如图2 1 所示，它们包含一个支持仿真的 a r m 丌d m l - sc p u 、与片内存储器控制器接口的a r m 7 局部总线、与中断控 制器接口的a m b a 高性能总线和连接片内外设功能的v l s i 外设总线。 。与f h n 芟嘲 f i ) 。j ； j 住测试，甥瀛馁：f 时( i p l ( ) ，! l 它j l f j 这t 4 曾蚓，功能爪i i f 剖 图2 1l p c 2 2 1 4 结构框图 天津大学同等学力硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式高速公路l e d 显示屏控制技术研究 2 3a r m - - l p c 2 2 14 的单元特性 l p c 2 2 1 4 的主要特性i 吲： 1 6 ，3 2 位a r m 7 r s m i s 微处理器，l q f p l 4 4 封装。 1 6 k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽接 1 ：3 加速器可实现高达6 0 m h z 的工作频率。 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( 1 a p ) 。 5 1 2 字节行编程时间为1 m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。 e m b e d d e d l c e - r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对 任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 u s 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输 出、实时时钟和看门狗。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接1 ：3 ( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数 据宽度为8 1 6 3 2 位： 多达1 1 2 个通用i ，o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外 部中断引脚。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 片内晶振频率范围：1 3 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能，禁止外部功能来优化功耗。 双电源： 一c p u 操作电压范围1 6 5 1 9 5 v ( 1 8 v 0 1 5 v 1 - - i 0 操作电压范围3 0 3 6 v ( 3 3 v 0 3 v ) ，可承受5 v 电压。 2 4 本系统使用的a r m - - l p c 2 2 1 4 的单元 2 4 1 片内f l a s h 程序存储器 l p c 2 2 1 4 集成了一个2 5 6 k b 的f l a s h 存储器系统。该存储器可用作代码 第二章a r m 7 - - l p c 2 2 1 4 的基本原理 和数据的存储。可通过串口进行在系统编程，也可以在应用程序运行时进行在应 用编程。 本系统的程序代码存储在l p c 2 2 1 4 片内f l a s h 存储器中，通过j - a g 将 程序下载到片内。 2 4 2 片内静态r a m l p c 2 2 1 4 具有1 6 k b 静态r a m 。片内s r a m 用作数据的存储。 2 4 。3 中断控制器 向量中断控制器( v i c ) 接收所有的中断请求输入，并将它们编程分配为3 类：f i q 、向量i r q 和非向量i r q 。可编程分配机制意味着不同外设的中断优先 级可以动态分配和调整。 本系统中共使用6 个中断： u a r t o ：l p c 2 2 1 4 与p c 机的数据通信； 1 2 c ：读取按键值及显示8 位l e d 数码管； t i m e 0 ：该定时器设定为1 秒钟中断一次： i n t l ：接键s 9 按下时，触发外部中断1 i t f m e l ：该定时器设定为0 1 秒钟中断一次： u a r t l ：l p c 2 2 1 4 与监测板单片机的数据通信。 以上中断的优先级按照从高到低的顺序设置。 2 4 4 管脚连接模块 管脚连接模块允许将微控制器的管脚配置为不同的功能。 本系统中对管脚功能选择寄存器的设置为： 、 p i n s e l 0 = 0 x 8 0 0 5 0 0 5 5 ，p l n s e l l = 0 x 0 0 4 0 0 0 0 0 ，p i n s e l 2 = o x o f 8 0 0 9 0 4 p l n s e l 0引脚名称 含义 pj n s e l 0 引脚名称含义 1 ：0 p 0 0 t x d ( u a r t 0 ) 1 7 ：1 6p 0 8 t x d ( u a r t l ) 3 ：2p 0 1 r x d ( u a r t 0 ) 1 9 ：1 8p 0 9 r x d ( u a r t l ) 5 ：4 p 0 2 s c l ( 1 2 c ) 2 1 ：2 0p 0 1 0g p i o 7 ：6 p 0 3 s d a ( 1 2 c ) 2 3 ：2 2p 0 1 1g p i o 9 ：8p 0 4g p i o2 5 ：2 4p 0 1 2g p i o 1 1 ：1 0p 0 5g p i o2 7 ：2 6p 0 1 3g p l o 1 3 ：1 2p 0 6g p i o2 9 ：2 8p o 1 4g p f o 1 5 ：1 4p 0 7g p l o3 1 ：3 0p 0 1 5日n t 2 天津大学同等学力硕士学位论文 基于a r m ? 的嵌入式高速公路l e d 显示屏控制技术研究 雷脚功能选弹奇存器1 阴笛义如卜：( p i n s e l l = o x u u 4 u u u u u p i n s e l l 引脚名称含义 p i n s e l l引脚名称含义 1 ：0p 0 1 6g p i o1 7 ：1 6p o 2 4g p i o 3 ：2p 0 1 7g p i o1 9 ：1 8p 0 2 5g p i o 5 ：4p o 1 8g p i o2 1 ：2 0p 0 2 6 g p l o 7 ：6p 0 1 9g p i o2 3 ：2 2p 0 2 7a l n o 9 ：8p 0 2 0 g p i o2 5 ：2 4p 0 2 8g p i o 1 1 ：1 0p 0 - 2 1 g p i o2 7 ：2 6p 0 2 9g p l o 1 3 ：1 2 p 0 2 2g p i o2 9 ：2 8p 0 3 0g p i o 1 5 ：1 4p 0 2 3g p i o3 1 ：3 0p 0 3 1g p i o p i n s e l 2含义p i n s e l 2含义 1 ：o保留1 5 ：1 4p 3 2 5 作为g p i o 2 p 1 3 1 p 1 2 6 作为 1 7 ：1 6p 3 2 4 作为g p i o 调试口 3 p 1 2 5 p 1 1 6 作为 1 9 ：1 8 保留 g p l o 5 ：4 总线d 7 ：0 】、c s 0 、 2 0p 2 2 9 、p 2 2 8 作为 o e 、b l s 0 g p i o 6p 3 2 9 作为g p i o 2 1 p 2 3 0 作为g p i o 7 p 3 2 8 作为g p i o 2 2 p 2 3 1 作为g p i o 8p 3 2 7 作为w e2 3p 3 0 作为a 0 1 0 ：9保留2 4p 3 1 作为a 1 1 1p 3 2 6 作为c s l2 7 ：2 5一p 3 2 3 p 3 2 作为 a 2 3 a 2 1 2保留3 1 ：2 8保留 1 3p 3 。2 3 作为g p i o 2 4 ，5 外部存储器控制器 外部存储器控制器是一个为系统总线和外部存储器器件提供接口的功能模 块。它可同时支持4 个可单独配置的存储器组的工作( 每个存储器组的容量为 1 6 m 字节，带有字节定位使能控制) 。每个存储器组的总线宽度为8 、1 6 和3 2 位。 本系统中只用了b a n k 0 ，即第1 个存储器组，存储器组配置寄存器b c f g 0 设置为0 x 0 0 0 0 f b e f ，其含义为总线宽度为8 位，总线速度较慢，但接1 3 简单。 第二章a r m 7 - - l p c 2 2 1 4 的基本原理 2 4 6 通用并行i 0 口( g p l 0 ) 没有连接到特定外设功能的管脚由g p i o 寄存器进行控制。管脚可以动态配 置为输入或输出。寄存器可以同时对任意输出口进行置位或清零。 本系统中用了以下几个i o 口： p 1 。2 2 为输出口，用于控制液晶屏背景光； p 0 7 为输出口，用于控制蜂呜器； p 2 1 6 为输出口，用于控制发光二极管v 7 ： p 2 1 7 为输出口，用于控制发光二极管v 8 ； p 0 2 1 - p 0 2 4 为输入口，连接至4 位d i p 开关； p 2 2 3 p 2 2 5 ，p 2 2 8 - p 2 3 0 为输入口，连接至6 位d i p 开关。 2 4 。7 1 0 位a d 转换器 l p c 2 2 1 4 包含一个带8 路输入的1 0 位逐次逼近模数转换器。 本系统中用p 0 2 7 作为a ，d 口的输入，连接到光传感器的输出，a d 转换器 将光传感器输出的模拟信号转换为数字信号，l p c 2 2 1 4 因此判别光的强弱。 2 4 8u a r t l p c 2 2 1 4 包含2 个u a r t 。一个u a r t 提供一个完全的调制解调器控制握 手接口，另一个u a r t 只有发送和接收数据线。 本系统中l p c 2 2 1 4 通过u a r t 0 和上位p c 机通信，通过u a r t l 和监测板 单片机通信。 2 4 ，912 c 接口 1 2 c 是一个双向总线，它使用两条线：串行时钟线( s c l ) 和串行数据线( s d a ) 实现互连芯片的控制。每个器件都通过一个唯一的地址来识别。 ， 本系统中使用了1 2 c 接1 ：3 的键盘与l e d 驱动芯片z l g 7 2 9 0 ，支持5 个按键 及4 位共阴l e d 数码管。 2 4 1 0 通用定时器 定时器对外设时钟周期( p l c k ) 进行计数，可选择产生中断或基于4 个匹 配寄存器，在到达指定的定时值时执行其它动作。 本系统中使用了定时器0 和定时器1 ，定时器0 设置为1 s ，定时器1 设置 为0 1 s 。 2 4 1 1 看门狗 看门狗定时器的用途是使微控制器在进入错误状态经过一段时间后复位。 天津大学同等学力硕士学位论文基于a r m 7 的嵌入式高速公路l e d 显示屏控制技术研究 本系统中将看门狗定时器设置为4 8 ，当程序在这一段时间内未执行喂狗操 作时，程序将会复位。 第三章高速