基于ARM和CPLD的LED彩屏显示系统的研究与设计98409.doc

分类号 密级 U D C 编号 本科毕业论文 设计 题目题目 基于基于 ARM 和和 CPLD 的的 LED 彩屏显示系统的研究与设计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 文献综述文献综述 1 概述概述 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 主题主题 2 1 硬件设计硬件设计 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 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 10 2 用 API 232 简化串口通信编程 铁道通信信号 2000 4 3 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 3 4 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 1999 5 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 3 6 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 3 7 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 3 8 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 3 9 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 1 10 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 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 people s 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 people s 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 录目 录 1 绪论 1 1 1 LED 大屏幕的研究现状 1 1 2 LED 大屏幕的发展趋势 1 1 3 论文研究的内容 2 2 LED 显示屏的工作原理 3 2 1 LED 工作原理 3 2 1 1 简述 3 2 1 2 LED 发光的基本原理 4 2 2 LED 器件的驱动原理 5 2 2 1 直流驱动 5 2 2 2 恒流驱动 5 2 2 3 脉冲驱动 5 2 2 4 扫描驱动 6 3 LED 显示技术的发展和基本原理 7 3 1 LED 显示技术的发展历史 7 3 2 LED 显示技术的基本原理 8 3 2 1 灰度扫描的实现 8 3 2 2 信息刷新原理 9 3 2 3 扫描控制电路总体说明 9 3 2 4 彩色显示屏的 校正 10 3 2 5 显示屏均匀性的改造 12 3 2 6 亮度控制器模块 13 4 LED 彩屏显示系统的硬件设计 13 4 1 ARM 芯片简介及硬件电路设计 13 4 1 1 ARM 芯片简介 13 4 1 2 ARM 的硬件电路设计 15 4 2 CPLD 技术简介及硬件电路设计 20 4 2 1 CPLD 技术简介 20 4 2 2 CPLD 的硬件电路设计 21 5 LED 彩屏显示系统的软件设计 21 5 1 ARM 的软件设计 21 5 1 1 ARM 汇编语言的程序结构 21 5 1 2 基于ARM 的系统初始化过程 22 5 2 扫描驱动电路的CPLD 软件设计 23 5 2 1 Altera可编程程逻辑器件开发软件介绍 23 5 2 2 利用 VHDL语言实现显示控制 24 6 仿真效果及结论 25 6 1 仿真效果 25 6 2 结论 26 参考文献 27 致 谢 28 1 绪论绪论 1 1 LED 大屏幕的研究现状大屏幕的研究现状 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 显示屏的工作原理显示屏的工作原理 2 1 LED 工作原理工作原理 2 1 1 简述简述 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 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 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 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 电阻 I T Ton Toff If Iu t 脉冲电源 电 阻 波形图 3 LED 显示技术的发展和基本原理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显示技术的基本原理 3 2 1 灰度扫描的实现灰度扫描的实现 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 1 S 8 16 2 S 8 16 15 S 8 16 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 彩色显示屏的彩色显示屏的 校正校正 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 n x 输出 n 输入 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 0 1 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 2 0 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 5 0 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 EB 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 1 EB 即 375 0 EB 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 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 D0 D2 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 4 LED 彩屏显示系统的硬件设计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芯片简介及硬件电路设计 4 1 1 ARM 芯片简介芯片简介 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 D0 COMM0 COMM1 COMM2 D0 D1 D6 D7 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 7 TM ARM TDMIS CPU 的微控制器 芯片内部集成了通用I O 口 UARTORS232 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 1 JTAG调试接口电路调试接口电路 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 器件进行编程等 通过JTAG 接口 可对芯片内部的所有部 件进行访问 目前 JTAG 接口的连接有两种标准 即14 针接口和20针接口 14针 JTAG 接口如图4 2 所示 引脚定义如下 VCC 引脚1 13 接电源 GND 引脚 2 4 6 8 10 14 接地 TRST 引脚3 测试系统复位信号 TMS 引脚 7 测试模式选择 FLASH AM29LV160D SRAM IS61LV25616 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 TCK 引脚 9 测试时钟 TD 工 引脚5 测试数据串行输入 TDO 引脚11 测试数据串行输出 NC 引脚12 未连接 图 4 2 14针 JTAG 接口 2 RS232 转换器转换器 RS 232 是个人计算机上的通讯接口之一 由电子工业协会 Electronic Industries Association EIA 所制定的异步传输标准接口 通常 RS 232 接口以9个接脚 DB 9 或是 25 个接脚 DB 25 的型态出现 一般个人计算机上会有两组 RS 232 接口 分 别称为 COM1 和 COM2 异步串行通信系统主要用于系统调试和从上位机接收显示数据 采用RS232 标准串行收发芯片实现与上位机的串行通讯 最大传输距离和速率在标准中被限定 为 15 米和19200bit s 3 SPI 接口电路接口电路 SPI Serial Peripheral Interfaee 串行外设接口 总线系统是一种同步串行外设接口 允许 MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信 数据交换 外围设备包括 FLASH RAM A D 转换器 网络控制器和MCU 等 本次系统采用 SPI 总线芯片是 AT25040 作为EEPROM 存放需要固化的常量数 据 用于保存本台 LED 显示系统的 ID 地址 只有上位机发