ARM系统在LED显示屏中的应用设计

摘要近年来，LED(lightemitingdiode，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，本课程设计开发了一种全新的，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接口目录摘要1.引言…………………………………………………………………………………12.系统的基本原理……………………………………………………………………23.系统的总体设计……………………………………………………………………74.系统硬件设计………………………………………………………………………125.系统软件设计………………………………………………………………………18设计心得参考文献-1-1.引言1.1设计题目：ARM系统在LED显示屏中的应用1.2LED显示屏的研究现状及发展趋势进入新世纪LED显示屏的技术和产业都取得了长足的发展，作为重要的现代信息发布媒体之一LED显示屏在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域被广泛地应用。伴随社会信息化进程的推进，LED显示屏技术也在不断地推陈出新，应用领域愈加广阔。LED显示屏是八十年代后期全球迅速发展起来的新型信息显示媒休,它利用发光二极管构成的点阵模块组成像素组成大面积显示屏幕,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广泛的应用。我国LED显示屏产业自90年代以来，到目前中国LED显示屏产业已初具规模，形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计，全国从事LED显示屏的各类企业约有150家，从业人员近万人。其中130家企业加入了中国光学光电子行业协会LED显示屏分会，年度销售总额占全国同行业的80%以上。目前国内主要LED显示屏制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域。大型制造商的市场范围几乎覆盖了整个中国。国内LED厂商中，年产值上千万的有20余家在规模迅速发展的同时，产品技术也推陈出新，一直保持了在该领域内比较先进的水平。早在90年代初，国产的LED显示屏就具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术和无线遥控等，代表了当时的国际先进技术水平。近几年，在全彩色LED显示屏256级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群控技术等方面，均有居国内外先进技术水平的产品出现。在LED显示屏控制专用大规模集成电路方面，国内企业也有开发生产并得到了实际应用。进入二十一世纪的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无疑会有更大的发展,并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。1.3设计内容及要求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，-2-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。2.系统的基本原理2.1LED显示屏2.1.1LED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），都不能显示字符（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n×m个像素，则需要n×m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，n×m个像素仅需n×m／P套驱-3-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。2.1.2LED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。2.1.3LED显示屏的优点LED显示与传统显示方式相比有如下几个优点：1.光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到80%-90%。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。2品质高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。3.能耗小：单体功率一般在0.05-1w，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，-4-浪费很少。以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8-10。4.寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时。一个半导体照明灯具正常情况下可以使用长达50年。LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和屏幕更新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为10:1，而且更高的更新速率使得LED在影像方面有更好的性能表现，能提供宽达160°的视角，可以显示各种文字、数位、彩色图像及动画资讯，也可以播放电视、录影、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示幕还可以进行联网播出。而有机LED显示幕（OLED）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。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有更广泛的应用前景。结合本设计实际应用，因为要用作公交车的报站显示，所以要求有高亮度，高寿命，更广的可视角度的特点，故本设计选用LED屏。2.2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：图2.1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单片机总线驱动器列驱动电路LED点阵行驱动电路-5-74HC595,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，就可将要显示的信息在LED屏上显示出来。该方案的优点主要有：该方案结构简单，使用的器件常见且便宜，设计成本低廉；编程简单，调试方便。缺点主要有：硬件结构设计需要较多的控制信号线，占用单片机较多端口，从而造成端口资源的浪费；且该方案一般只能用于简单的文字和数字的显示，不能用于视频的显示。对与大屏幕的显示，由于大型LED屏幕的点阵规模极其庞大，所以采用低端单片机控制，用移位寄存器来实现数据的串行转并行的方法远不能满足需求。目前一般采用的方案是基于ARM的控制和基于CPLD的驱动的模式。基于这种方式的控制系统能很好的满足设计要求，如图2.2所示。图2.2系统原理图该方案的基本原理如下：该系统主要由三部分组成：PC机，显示控制电路和LED显示屏构成，PC机在控制中作为上位机，用于对下位机的控制和管理。系统的重点是显示控制电路，ARM和CPLD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LED显示屏的动态扫描控制，其中数据转换信号控制部分采用ARM实现，而LED显示屏的扫描驱动电路采用CPLD来完成。上位机与下位机之间的通信采用标准的RS232或RS485计算机数据串行通讯方式。LED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。该方案的优点有：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32位微处理器，解决了系统的运行速度、寻址能上位机PC串口通信ARM主控芯片扫描驱动电路LED显示屏-6-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。该系统不仅能显示文字信息，而且也能完美支持视频的显示。同时缺点如下：系统设计比较复杂，系统的成本高昂；编程规模巨大，开发难度大，不利于大规模使用。由于本课题的目的是要开发一个公交车载的LED显示系统，它是一个实际科研课题的子系统，此子系统分到的CPU端口资源极其有限，又基于以上两种解决方案的优缺点，本课题采用ARM7作为系统的控制核心，为了节约有限的CPU端口资源，且因为LED屏的文字和数字的显示数据传输要求并不是很高，故ARM与LED屏之间的通信采用串口传输，所使用的协议是RS232串口通信协议。此方案的