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嵌入式LED彩色异步显示屏控制系统的设计  

2008-12-23 23:01:58|  分类: 个人日记 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                                                                    陈东
                                                  (西安邮电学院电子与信息工程系,陕西西安710121)

 

 

摘要:

文章首先介绍了嵌入式系统和ARM的相关知识,然后介绍了LED显示屏的发展状况,并简要分析了同步屏
和异步屏的工作方式。随后针对现有单片机控制的LED异步显示屏节目简单,附加功能少的缺点,提出了基于
ARM7+CPLD架构的嵌入式LED彩色异步显示屏控制系统的设计方案。采用该方案控制的异步显示屏节目丰
富多彩,附加功能强大,性能稳定可靠。文末对ARM9在LED显示屏控制器领域的应用进行了展望。
关键词:嵌入式系统;异步显示屏;LED显示屏控制系统;嵌入式实时操作系统
中图分类号:11P303          引言        文献标识码:A                 文章编号:1007—32641200810s—0134-03

 

 

 

Abstract:

The article first introduces the ARM embedded systems and knowledge, and then introduced the development of LED displays, and a brief analysis of the screen simultaneously Asynchronous and screen work. Then for the control of existing single-chip LED display asynchronous programming simple, add a small shortcomings, based on ARM7 + CPLD architecture embedded asynchronous color LED display control system design. The program used to control the display of induction programs Feng Rich and colorful, add powerful, stable and reliable performance. ARM9 at the end of the LED display controller applications in the field of vision. Key words: embedded systems; asynchronous display; LED display control system; embedded real-time operating system Key words: 11P303 introduction to China: A Article ID :1007-32641200810s-0134-03

 

 

 

 

 

引言
        LED显示屏是20世纪80年代后期出现的新型信息显示媒体,距今已有近30年的历史。同其他显示媒体相比,具有亮度高、画面生动、色彩鲜艳、使用寿命长、可靠性高、使用成本低等特点。广泛应用于交通指示、户内外广告、信息播报、门面招牌、舞台背景等场合。LED显示屏控制系统主要分为两类,一类是低端的单色或双基色显示屏控制器,成本较低,技术不太复杂;另一类是高端的全彩色显示屏控制器,成本较高,技术较复杂。前者主要应用于车站、金融证券、银行、邮局等公共场所,后者主要应用于体育场馆、会展中心、广场等公共场所。
         本文在介绍LED显示屏及其控制器基本原理的基础上,提出了一种新型的嵌入式U、D彩色异步显示屏控制器的设计方案,该方案采用ARM7芯片为主控制单元,CPLD芯片为显示屏驱动单元,采用RS485总线网络和TCP/IP以太网络,实现对大尺寸4灰度级的三基色彩色图文屏集群的同步控制。嵌入式系统的概念是伴随着单片机的产生和广泛应用而逐渐建立起来的。人们认同的比较合理的定义是,嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其紧密耦合在一起的计算机系统【1】。在现代产业中,嵌入式系统的应用已相当广泛,深入到工业控制、交通运输、航空航天、消费类电子等领域,极大的改变着人类的生产和生活方式。基于RISC架构的ARM处理器具有体积小、功耗低、执行效率高、性价比高等优点,目前应用较多的是通用处理器系列AR^仍、删、ARM9E、ARMl0E等。ARM7适用于低功耗、低价位的消费类应用场合,主频最高可达130MIPs,支持大多数嵌入式操作系统,ARM9和ARM9E在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能,ARMgE还提供了增强的DSP运算功能,适用于中高端应用场合,其主频最高可达300MIPS。ARMl0E除了具有ARM系列所共有的低功耗、高性能的特点外,其性能比ARM9系列提高了近百分之五十,其主频最高可达400MIPS,主要在一些高端产品中应用。早期的LED产品是单个的发光灯,随着数字化设备的出现,LED数码管和字符管得到了广泛的应用,LED显示屏的出现,适应了信息化社会发展的需要,成为大众传媒的重要工具【2J。LED显示屏按通讯控制方式可以分为同步显示屏和异步显示屏。同步显示屏通过显卡的VGA接口或DVI接口与计算机连接,计算机内部以数字方式生成的显示图像通过该接口直接输送到显示屏控制卡上,同步显示在IjED显示屏上,可实现和计算机的同步显示,比较适合于播放实时视频图像,如新闻播报、现场直播等。异步显示屏是将计算机制作生成的显示图像存放在控制卡的非易失性存储器中,播放时脱离计算机控制,可在任何需要的时候进行播放,由于整个系统的运行不需要计算机的随时参与,系统成本得以减少,比较适合于对成本价格要求较高、无实时性要求的场合,如室内外广告、股市信息等。1嵌入式LED彩色异步显示屏控制系统的设计方案现有的异步屏控制器基本上采用单片机方案,但单片机接口简单,工作频率低,控制能力不强,所以这种控制器驱动的异步屏功能比较简单,没有或很少有附加功能,无法满足高层次的需要。嵌入式LED彩色异步显示屏控制系统是基于ARM7+CPLD架构的,采用RS485总线和TCP/IP以太网为通信网络,具有布线方便,画面更新速度快,节目丰富多彩,附加功能强大,稳定可靠的特点。其主要功能如下:
(1)可显示文字、图片、动画信息;
(2)多达几十种的各种复杂的显示效果,且显示速度可调节;
(3)可以显示当前日期和时间;
(4)自动定时开关机;
(5)具有固定亮度和根据光照自动调节亮度的功能;
(6)具有定时播放、多段连续播放和中间插播节目的功能;
(7)可以测量显示当前的温度,有华氏和摄氏两种显示格式;
(8)可以同时驱动多块LED屏幕显示;
(9)具备故障自动检测能力,并将检测结果上传给应用程序。显示屏控制系统的设计是一个系统工程,包括上位机软件的设计,控制器硬件电路的设计,ARM驱动程序的设计,CPLD显示控制程序的设计。其工作原理是,上位机软件将用户设计的显示节目转换为点阵信息、色彩信息、亮度信息和控制信息,然后通过网络发送到控制器上,ARM驱动程序接收该节目,根据要求将其转换为场同步信号、行同步信号、像素同步信号、数据信号发送到CPLD上,CPLD则通过显示屏的接121,将数据逐个串入每一个点,然后更新整屏显示内容。控制系统的结构框图如图1所示:图中通信网络可以是RS485,也可以是以太网,显示节点也不止四个。控制器硬件电路的原理框图如图2所示,电路中最核心的部件是ARM7芯片,我们采用的是菲利普LPC2214。

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LPC2214是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI—sam CPU的微控制器,并带有256 k字节嵌入的高速Flash存储器【3】3。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行【3J3。LPC2214运行底层驱动程序,它主要完成两项工作,第一项是接收上位机下传的显示节目资料,并将该显示资料存放于外部2M字节空间的flash存储AM29LVl60B中;第二项是将flash存储器中存放的上位机软件制作的显示节目原模原样的显示在LED屏上,这里包括很多的效果算法,如推入、翻转、伸缩、橡皮筋等等。flash存储器中存放的资料包括两部分,显示段表和显示内容,均可通过串口或以太网更新。洲1和RAM2LPCE214的外部扩展数据存储空间,采用两片1M字节的静态RAMISl61LV51216。另外一个重要部件是CPLD,我们使用的是lattice公司的高性价比芯片LCA256C,具有256个逻辑宏单元和160个IO口,它控制着LED屏显示画面的刷新,是LED显示屏的直接控制组件,LED显示屏能否正常工作取决于它。RAM3和刚W4置于CPLD的周围。它们在CPLD的控制下,执行乒乓式读写流水线机制的工作方式,以提高控制系统的工作效率,使LED显示屏画面显示更流畅。时钟芯片选择PCF8583日历时钟芯片,采用纽扣电池供电。无论控制器是否上电,均可为其提供准确的年、月、日、时、分、秒、星期计时。温度、亮度传感器接口连接外部传感器板卡,传感器板卡电路原理图如图3所示,测量温度采用DSl8820数字式温度测量IC,测量亮度采用光敏电阻,通过五针插座与控制器上温度、亮度传感器接口连接。通过这个外部接口,控制器系统可以获知当前外界温度,并可根据外界光照亮度信息调整LED显示屏当前显示亮度。

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        由于该系统功能非常复杂,所以ARM底层驱动程序的编写是比较困难的,为了提高程序运行的可靠性,我们采用了嵌入式实时操作系统uCOS—II,将整个驱动程序的编写置于这个平台之上,采多任务的模块化设计方法,简化了程序的结构,较大地提高了系统的可靠性。根据功能要求,将程序划分为显示、通讯、插播、开关机等四个并行任务。程序流程如图4所示。

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         使得采用ARM9作为中央处理单元的控制器可以口轻松地处理音视频等高速数据流。因此采用ARM9控制器可以使LED异步显示屏的显示效果和显示内容大为丰富,不仅可以显示无声的图文信息,还可以显示有声的视频节目、播放MP3,达到更为吸引观众的效果。

参考文献
[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M】.北京航天大学出版社。2005.
[2]诸昌铃.LED显示屏系统原理及工程技术[M].电子科技大学出版社,2000.
[3]<LPC2114/2124/2212/2214使用指南>.广州周立功单片机发展有限公司,2004.

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