ARM系统在LED显示屏中的应用.doc

湖南文理学院芙蓉学院课程设计报告课程名称： ARM系统在LED显示屏中的应用 专业班级： 通信工程1001班 学号（32） 学生姓名： 吴炜 指导教师： 成天乐 完成时间： 2013年 12月 13 日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 2013.12. 摘 要 近年来 ，LED(light emiting diode，发光二极管)显示屏作为一种高科技产品日益引起人们的重视。它可以实时显示或循环播放文字、图形和图像信息，具有显示方式丰富、观赏性强、显示内容修改方便、亮度高、显示稳定且寿命长等多种优点，被广泛应用于商业广告、体育比赛、交通信息报导等诸多领域.LED显示屏的核心技术主要集中在控制器中。目前，大部分异步显示屏采用的是8位或16位的微控制器，由于受到微处理器的处理速度、体系架构、寻址范围、外围接口资源等诸多限制，已难以在要求显示较多像素、显示内容帧频较高、动态显示效果复杂的情况下得到良好的动态视觉效果。 针对以上情况，本文研究开发了一种全新的，由32位高性能ARM微处理器组成的LED显示屏控制系统，就控制平台、硬件结构和软件开发实现给出了驱动部分和控制部分的详细分析与设计。 关键词：LED显示屏，控制系统，ARM，LPC2294芯片，串口通信，RS232接口Abstract LED panel systems gains rapid development in the design,machine and application from nineties ages.It went thorugh from single color and two colors to image LED panel.As a high technology production,LED panel can realize real time and sequential displaying textuer,graghic and images. LED panel has many special feature such as high reliability, long life,high performance, low cost, and more important high acclimatization. Moreover, with the technique of color panel perfect increasingly,LED panel is widely used in many fields. The coer techniqe for a LED panel is mainly centralized on its contorller.At present,the majority of asynchronous display panel use the 8 or the 16 micro-controllers,because the processing speed, the system construction, the addressing scope, the periphery connection resources and so on many limits, in request demonstration many picture elements, the demonstration content frame frequency has been with dificulty high, in the dynamic demonstration efect complex situation, obtains the good dynamic visual efect. In view of above situation,This paper redesign and developed one kind new display system.It is composed by 32 high performance ARM microprocessor.The control platform,hardware structuer and softwaer implementation of the LED panel controller are analyzed and designed Key Words：LED panel systems，control system，ARM，LPC2294 micro-controllers, serial communication, RS232 serial interface目录1.设计题目11.1 基于单片机的LED显示屏控制系统12.课程设计目的13.课题要求24.设计原理34.1 LED显示屏的显示原理34.2 LED显示屏的驱动原理34.3 基于ARM的控制板45.系统总体设计55.1 整体思路55.2 芯片选型55.2.1 ARM控制模块55.2.2 串口通信模块65.2.3 LED显示模块75.2.4 电源模块85.2.5 时钟模块86.系统硬件设计86.1 电源模块的设计86.2 ARM控制模块的设计96.3 串口通信模块的设计116.4 LED显示模块117.系统的软件设计127.1 ARM ADS集成开发环境的介绍127.2 软件的控制流程分析137.3 ARM主程序的设计137.3.1 主程序的简要分析137.3.2 主程序流程图137.4 中断子程序的设计147.4.1 中断子程序的简要分析147.4.2 中断子程序流程157.5 LED控制器的工作流程178.设计心得189.参考文献18附录A19ARM系统在LED显示屏中的应用ARM系统在LED显示屏中的应用1.设计题目 ARM系统在LED显示屏中的应用1.1 基于单片机的LED显示屏控制系统LED显示屏的单片机控制系统是将微处理器，存储器，输入输出设备集成在一块PCB板上来实现对LED显示屏的驱动、扫描、存储等控制，这种方式的控制系统在八十年代后期起一直到现在都是LED显示屏控制系统的主流方式，技术相当成熟，能很好的适应公众场合的信息显示。该系统的一般框架如下：单 片 机列驱动行驱动LED屏图1.1 基于单片机的LED显示屏控制系统一般框图基于单片机的LED控制系统按照单片机内核的不同又可分为两种情形：第一种，基于51系列单片机的LED显示屏控制系统。第二种，基于ARM的LED显示屏控制系统。这两钟方式的控制系统组成都差不多，外围电路组成变化不大。但是，由于LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆盖、霓虹灯效果，要求处理器运算速度快、执行效率高，51系列单片机是8位机且硬件资源受限制渐渐不能适应这种高质量，大容量数据的显示，ARM处理器是32位机，各种硬件资源相当丰富，因此在实践应用中逐渐有取代51系列单片机的趋势。2.课程设计目的在现代信息化社会的高速发展过程中，随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。专家预言，半导体照明产业将是21世纪最大、最活跃的高科技产业之一，在经济竞争及国家安全方面具有极其重要的意义。作为光源，LED优势体现在三个方面：节能、环保和长寿命。LED不依靠灯丝发热获取光源，能量转化效率高，理论上只有白炽灯能耗的10、荧光灯能耗的50。由于人的眼睛最习惯和适宜白光照明，所以白光LED研发是当前最前沿的技术，也是LED真正走向照明应用的关键。但目前LED照明应用还存在着光效低、寿命相对短、自动化产量低、成本高等问题，各国都亟待有新的突破。然而，我国目前LED产品开发应用领域存在不足。我国自产的LED芯片,外延片产量仍有限,其产品以中、低档为主,产业化规模偏小,只能满足国内封装企业需求量的20%30%,大部分高性能LED和功率LED产品均要依赖进口。此外，在LED的应用市场上面，也存在产品种类、品种等方面的制约，尤其是在家庭照明领域，由于存在的技术不足，使得无法进行规模普及应用。因此，加大对LED应用技术的研发力度,具备自身核心技术并实现规模量产是LED产业发展的最关键一步。本设计是智能公交管理系统的一个项目分支，中国是一个经济持续发展的发展中国家，改革开放以来，城市化与汽车化发展十分迅猛。改革开放前，城市化水平不足19%，目前已经发展到超过30%，预测2010年将接近50%；机动车拥有量目前已达6000万辆，并以每年10%以上的速度增长，预计2010年达到1.3亿多辆；中国城市交通的特点是混合交通；改革开放以来，中国道路交通设施及管理设施虽然有较大改观，但跟不上机动车增长速度。总体水平与发达国家有较大差距，特别是大多数城市路网结构不合理，道路功能不完善，道路系统不健全。交通管理设施缺乏，管理水平不高。即使各地都建立了交通控制中心，大多只是实现了监视功能，而远没有发挥控制功能的效应。而本设计正是基于这种思考，以设计一套公交LED显示屏控制系统来实现以下目标：当公交车到达某一个车站时，将通过GPRS接收所到站点信息资料，并且自动在LED显示屏上显示出来，方便乘客了解该站的基本信息，通过ARM7处理器控制。本设计的最终目标是设计出一个基于ARM7的LED点阵式显示屏的显示控制系统，实现对信息的滚动显示。3.课题要求(1)深入研究了LED显示系统的基础理论知识以及LED显示系统的特点和前景。(2)根据目前的研究状况以及发展趋势，提出总体的LED显示设计方案;分析传统LED显示控制系统设计的不足，提出ARM+FPGA的硬件构架。将ARM系统作为视频源，脱离上位机的束缚。FPGA用于显示数据重构、灰度扫描控制，实现灰度级控制的改进以及显示效果的增强。实现了显示系统的小型化，并且极大地增强了显示效果。(3)选择合适的ARM芯片，设计外围电路，完成ARM的硬件平台的搭建，从而为整个系统提供一个性能优秀的视频源硬件系统，并实现了ARM系统与FPGA控制模块之间的接口电路。4.设计原理4.1 LED显示屏的显示原理无论是单个LED（发光二极管）还是LED七段码显示器（数码管），都不能显示字（含汉字）及更为复杂的图形信息，主要是因为它们没有足够的信息显示单位。LED点阵显示是把很多的LED按矩阵方式排列在一起，通过对各LED发光与不发光的控制完成各种字符或图形的显示，在一定面积的矩阵中集成的LED点数越多显示的文字或图像就会越清晰。当需要显示相关的文字时就只要点亮相应的LED灯管的正极加高电压，在负极加低电压即可。一般的LED屏是由一个个小模块组成的，常见的有8*8矩阵模块等，通过将这些模块级联就会得到所需大小的LED显示屏。屏幕显示可分为静态显示和动态扫描显示两种。静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为nm个像素，则需要nm套驱动电路；动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是P路复用，则每P个像素需一套驱动电路， nm个像素仅需 nm P套驱动电路。对动态扫描显示而言，P越大驱动电路就越少，成本也就越低，引线也大大减少，更有利于高密度显示屏的制造。在实际使用的LED大屏幕显示器中，很少采用静态驱动。4.2 LED显示屏的驱动原理由LED器件的发光原理可知，只要在LED器件上加上足够的正向电压，那么流过它的电流就会使它发光，这就是LED器件的驱动。在实际应用中，往往需要调节LED器件的发光强度，通常我们是通过调节流经LED器件的电流的平均时间来实现的。常见的LED器件的驱动方式有:直流驱动，脉冲驱动和扫描驱动。(1) 脉冲驱动所谓脉冲驱动方式，就是利用人眼的视觉暂留效应，以脉冲的方式对LED器件进行供电，使之间歇性地点亮。采用这种驱动方式需要对以下两个方面进行考虑脉冲电流的幅值和其重复颇率。首先，脉冲电流幅值的选择，当脉冲驱动的平均值与直流驱动的电流值相等时，我们人眼的感觉是相同的，也就是说两者的发光强度相当。由于人眼的视觉暂留现象不能低与24HZ每秒，故采用该驱动方法时，驱动频率不能小于24次每秒。(2)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。LED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。(3)直流驱动。这是最简单的驱动方式，只要对LED直接通以直流电即可。4.3 基于ARM的控制板一般来说，对于小屏幕的LED显示屏的控制都是采用51系列单片机作为主控芯片。通常的解决方案是这样： 单片机总 线 驱 动 器行驱动电路LED点阵列驱动电路图4.1 单片机对LED的控制显示示意图该解决方案的控制流程如下：首先由单片机发出要在LED显示屏上显示的文字数据信息以及相应的控制信息到总线驱动器。总线驱动器本身并不对上位机发过来的信号进行任何的改变，只是将这些信号传递到下一级，并对其提供足够的驱动电流。然后总线驱动器对传过来的驱动信号分两路，一路传到行驱动电路，一路传到列驱动电路，在常见的显示驱动电路设计中,列控制一般采用串入并带锁存的移位寄存器如74HC595 ,将数据打入锁存器中,使寄存器各引脚呈现与锁存器相同的状态来选中需要点亮的列。行控制一般采用译码器电路如4/16 译码器74HC154 ,控制信号经译码后选中需要点亮的行。当行、列驱动信号分别加载到LED点阵上时，就可显示的信息在LED屏上显示出来。5.系统总体设计5.1 整体思路本课题是智能公交系统的一个组成部分，主要完成信息的显示与控制，具体就是设计实现公交信息屏，信息屏选用LED显示子块（8*8）级联结构。一方面所用的LED子块比较多，外围电路与扫描驱动的比较复杂， 另一方面，现在市面上的ARM7芯片价格也很便宜，性价比很高，所以本课题采用LPC2294芯片作为主控制芯片。本课题的具体功能主要是对上级系统送过来的显示信息进行存储，处理，控制，与显示。根据这一定义可以将课题具体划分为ARM控制模块，串口通信模块，LED显示模块，时钟模块，电源模块五部分，以下是本次设计的方块图：上位系统ARM控制模块LED控制电路（驱动电路与接口电路等）LED显示屏时钟模块电源模块串口通信模块1串口通信模块2LED控制板存储器LED显示模块图5.1 系统方块图5.2 芯片选型5.2.1 ARM控制模块该模块主要由一块ARM7的控制板组成，ARM7芯片采用的是飞利浦公司生产的LPC2294芯片，芯片管脚图如图5.2它的主要作用是对存储器，信源与LED显示模块之间的数据传输以及时序控制。图5.2 LPC2294芯片管脚图5.2.2 串口通信模块模块采用RS-232通信接口，主要功能是接收上级（信源）发送过来所要显示的信息。RS232协议是目前应用非常广泛的半双工串行通信协议。本设计采用MAXIM公司生产MAX232作为RS-232收发器接口芯片。以下是MAX232的基本资料：图5.3 MAX232芯片的管家图与内部结构图管脚号管脚名称功能1，3，4，5C1+,C1-,C2+,C2-电解电容接入口2V+10V正电压基准点6V-10V负电压基准点7，14,TTL电压输出8，13,RS232信号输入9，12，RS232信号输出10，11，TTL电压输入表5.1 MAX232芯片的管脚描述5.2.3 LED显示模块LED显示模块是由LED显示屏与相应的LED控制电路两部分组成。按照系统设计的要求LED屏必须是适合车载且是单行汉字显示，一行大约能显示10个汉字左右。本系统LED屏选用上海灵信公司的LS-TS（192*16）。5.2.4 电源模块该模块主要由一些电压转换芯片和一些稳压芯片组成。它的主要功能是为系统的各模块提供合适的，稳定的电压供应。本文系统用到的电压转换芯片主要有两种型号，一种是LT1117芯片，另一种是MAX629芯片，他们的主要作用是将+5V电压转换成12V的输出电压，给LED显示屏供电。5.2.5 时钟模块考虑到在本系统中CPU的任务并不是很重，基本上只要对串口进行操作，因此基于功耗方面的考虑，设计合适且不太高的时钟频率是合理且必要的。该系统的设计比较简单，只需选用好合适的晶振和电容器件就行。6.系统硬件设计6.1 电源模块的设计 电源模块为总个系统提供合适的电压与电流。其设计正确与否，关系到总个电路能否持续稳定的工作。因此电源模块是总系统中基础而又重要的一环。电源设计实首先要能提供+5V电源。但是ARM模块需要+3.3V的直流电源，LED显示屏除了需要+3.3V逻辑电压外，还需+12伏的直流驱动电压。 系统采用5伏电压管理芯片LT1117+5，220交流输入，5伏直流输出。为了提供+3.3V的直流电压，采用的是+3.3伏电压管理芯片LT1117，+5伏供电，+3.3伏输出。 图6.1是由交流220伏电压转换成5伏直流电压输出的简要原理框图：图6.1 交流220.伏电压转5伏直流电压电路图 从上面的原理图不难理解，该原理图由两部分构成，前级电路的作用主要是整流，后一级电路的作用是稳压。图6.2 3.3伏电压输出电路图 上图的作用就是将+5伏直流电压输入转换为+3.3伏直流输出，以便给ARM和LED控制板提供合适的电源供应。 图6.3是驱动LED点阵的电源设计原理图：图6.3 12伏电压输出电路图6.2 ARM控制模块的设计 由于飞利浦公司的LPC2294集成了非常丰富的外围接口电路，所以本模块的设计基本上只涉及ARM处理器各引脚的设置。图6.4 ARM复位电路图6.5 系统的时钟电路设计 从设计框图来看，ARM控制块主要的控制功能有：，对串行通信端口的控制。，对存储器读写操作。，对显示模块的控制。以下是ARM芯片在本设计的主要电路连接图。图6.6 LPC2294芯片主要电路连接图6.3 串口通信模块的设计串口模块是本设计的一个重点模块，它负责ARM模块与LED模块之间的信息通信。硬件电路是否设计得当关系到二者通信质量的好坏。本串口通信协议采用RS232串口协议。在本模块中采用的RS232接口芯片是MAXIM公司的MAX232。图6.7 串口模块部分的主要电路图6.4 LED显示模块LED模块系统中独立性比较强的一个模块，LED点阵的驱动显示主要是靠LED模块中自带的LED控制器来完成，它只与与ARM的UART口进行通信，当它收到上位机的命令后，直接调用存储器内的相关程序驱动LED点阵。它只和外部的串口模块有连接。图6.8为LED模块与串口的连接示意图： RxD TxD接口电路VCCRxD LED 模块TxDMAX23212V图6.8 LED模块与串口连接示意图7.系统的软件设计7.1 ARM ADS集成开发环境的介绍ARM ADS全称为ARM DEVELOPER SUITE，是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具。现在ADS的最新版本是1.2。ADS由命令行开发工具，ARM实时库，GUI开发环境（Code Warrior和AXD），实用程序和支持软件组成。下面介绍一下本系统开发时要用到的Code Warrior和AXD。CodeWarrior for ARM是一套完整的集成开发工具，充分发挥了ARM RISC 的优势, 使产品开发人员能够很好的应用尖端的片上系统技术。该工具是专为基于ARM RISC的处理器而设计的, 它可加速并简化嵌入式开发过程中的每一个环节，使得开发人员只需通过一个集成软件开发环境就能研制出ARM产品，在整个开发周期中,开发人员无需离开CodeWarrior开发环境, 因此节省了在操做工具上花的时间,使得开发人员有更多的精力投入到代码编写上来。图7.1 本实验系统ARM程序的工程文件截图7.2 软件的控制流程分析通讯开始上下位机都处于通讯就绪状态。首先ARM发送帧头，帧头携带通讯模式屏号等信息，LS-L接收到帧头后，根据条件判断是否接收数据，若不符合，立即返回主程序；若符合，则接收数据，并且返回信息。握手通讯过程说明如下： 1上位机发送握手帧头信息（2个字节屏号）；2下位机接收帧头后，返回屏号；3上位机接收到返回的屏号后，开始发送正式数据，发送完毕后等待返回成功信息；4下位机接收数据成功后，返回屏号，表示成功。通用格式如下：屏号操作码数据长度操作数帧尾7.3 ARM主程序的设计7.3.1 主程序的简要分析在ARM没有收到报站信号（即中断信号）之前，ARM主要执行主程序，主程序的作用就是完成对串口和中断口的初始化设置，随后等待中断信号的到来，若有中断，则转而执行中断子程序。主程序的代码规模不大，以下为主程序的主要程序代码：void main() UARTMODE uart0_set;uart0_set.datab = 8; / 8位数据位 uart0_set.stopb = 1; / 1位停止位 uart0_set.parity = 0; / 无奇偶校验 UART0_Ini(115200, uart0_set); / 初始化串口模式 U0FCR = 0x01; / 使能FIFOInin-IRQ( ) ；while(1) delay(uint32 1000)； /等待中断7.3.2 主程序流程图程序流程图如下：开始串口初始化中断初始化有无中断有执行中断子程序返回无图7.2 主程序流程图7.4 中断子程序的设计7.4.1 中断子程序的简要分析本系统采用的LED模块具有极其完善的底层驱动程序，所以在本设计中就无需设计LED底层驱动程序，只需严格按照既有的数据帧格式向LED模块传送各种参数即可，LED控制器将自行调用各种底层驱动程序。中断子程序的主要功能函数就是将存储器中的数据发送到串口，以及从串口读取下位机的返回信号：实现该功能的三个子程序如下：子程序SendByte(uint8 data)的功能是将一个字节的数据发送到串口，然后串口自动将数据发送到LED模块。void SendByte(uint8 data) U0THR = data; / 发送数据delay(uint32 1000) /延时等待while( (U0LSR&0x20)=0 ); /判断数据是否发送完毕子程序ISendBuf()的功能：将相关区域的大块数据发送到串口。入口参数：buf是待发送数据区的首地址；no 是发送数据的字节个数。void ISendBuf(uint8 const *buf, uint8 no) uint8 i; for(i=0; i115200) ) return(0); if( (set.datab8) ) return(0); if( (0=set.stopb)|(set.stopb2) ) return(0); if( set.parity4 ) return(0); /* 设置串口波特率 */ U0LCR = 0x80; / DLAB位置1 bak = (Fpclk4)/baud; U0DLM = bak8; U0DLL = bak&0xff; /* 设置串口模式 */ bak = set.datab-5; / 设置字长度 if(2=set.stopb) bak |= 0x04; / 判断是否为2位停止位 if(0!=set.parity) set.parity = set.parity-1; bak |= 0x08; bak |= set.parity0;dly-)For(i=0;i5000;i+)* 名称：SendByte()* 功能：向串口UART0发送字节数据，并等待发送完毕。void SendByte(uint8 data) U0THR = data; / 发送数据delay(uint32 1000) /延时等待 while( (U0LSR&0x20)=0 ); /判断数据是否发送完毕* 名称：ISendBuf()* 功能：将相关区域的数据发送到串口。* 入口参数：buf 待发送数据