ARM系统在LED显示屏中的应用设计.docx

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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…………………………………………………………………………………1

2.系统的基本原理……………………………………………………………………2

3.系统的总体设计……………………………………………………………………7

4.系统硬件设计………………………………………………………………………12

5.系统软件设计………………………………………………………………………18

设计心得

参考文献

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，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，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。

此方案的优点是：

这种设计方案大大节省了CPU的端口资源，有效简化了显示屏的电路结构，提高了整个显示系统的可靠性。

系统的结构简单，模块与模块之间的信号线数量较少，使得控制更加方便、灵活，模块简单，能有效减少系统的开发周期与开发成本，完全的模块化设计也能增强系统的可扩充性和可维护性。

2.3串口通信协议

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，本设计中需要从上位PC机向控制系统传输数据，因此采用串口通信。

常用的串口通信接口有基于RS232的串口，基于RS422的串口和基于RS485的串口，这三种接口所用的协议，接口的物理特性，所达到的最大传输距离都不相同，而一般的PC机都自带有两个基于RS232的串口，若采用其他两类接口则还需要相应的转换装置，而本设计的重点不在于此，使用RS232接口也能满足此设计的要求，因此本设计采用RS232串口。

它具有以下特点：

（1）接口的电气特性：

在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。

即：

逻 辑“1”，-5— -15V；逻辑“0” +5— +15V 。

噪声容限为2V。

即 要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号 作为逻辑“1”

（2）传输电缆长度：

由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。

（3）RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-9插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端。

PC机的RS-232口为9芯针插座。

一般设备与PC机连接的RS-232接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据TXD”、"接收数据RXD"和"信号地GND"。

RS-232传输线采用屏蔽双绞线。

3.系统的总体设计

3.1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：

LED显示模块

图3.1系统方块图

3.2芯片选型

3.2.1ARM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，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。

LPC2X系列芯片的特性：

1.16/32位64/144脚ARM7TDMI-S微控制器。

16K字节静态RAM。

2.128/256K字节片内Flash程序存储器（在工作温度范围内，片内Flash存储器至少可擦除和写10,000次）。

128位宽度接口/加速器实现高达60MHz的操作频率。

3.片内Boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP）。

Flash编程时间：

1ms可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms。

4.EmbeddedICE-RT接口使能断点和观察点。

当前台任务使用片内RealMonitor软件调试时，中断服务程序可继续执行。

5.嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。

6.8路（144脚封装）10位A/D转换器，转换时间低至2.44us。

7.2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗。

8.多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口（400kbit/s）和2个SPI接口。

9.通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。

10.向量中断控制器。

可配置优先级和向量地址。

11.多达46个（64脚封装）或112个（144脚封装）通用I/O口（可承受5V电压），12个独立外部中断引脚（EIN和CAP功能）。

13.片内晶振频率范围：

1~30MHz。

2个低功耗模式：

空闲和掉电。

14.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。

3.2.2串口通信模块

[11]

模块一采用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：

管脚号

管脚名称

功能

1，3，4，5

C1+,C1-,C2+,C2-

电解电容接入口

2

V+

10V正电压基准点

6

V-

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3-1MAX232芯片的管脚描述

本模块需要用到RS232接口做串口通信之用，下面是RS232接口的基本资料：

表3-2RS232引脚定义

在模块二的设计中将会用到UART0口作为ARM与LED控制器的通信接口UART是UniversalAsynchronousReceiver的简称。

该接口占用ARM7的两个引脚，分别是RXD0和TXD0。

RXD0是串行输入，用来接收串行数据；TXD0是串行输出，用来发送串行数据。

该口有许多配套使用的控制寄存器，有两个寄存器用来接收和发送数据，它们是U0RBR和U0THR。

U0RBR是UART0RxFIFO的最高字节。

它包含了最早接收到的字符，可通过总线接口读出。

U0THR是UART0TxFIFO的最高字节。

它包含了TxFIFO中最新的字符，可通过总线接口写入。

UART0的主要特性包括16字节收发FIFO，寄存器位置符合550工业标准，接收器FIFO触发点可为1,4,8和14字节，内置波特率发生器。

3.2.3LED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）。

LS-TS主要特点有：

支持多种图片格式，超大存储空间，缓冲机制通信稳定；可内置16点阵，32点阵中英国际标准字库；标准08通用接口。

表3.1为LS-TS参数介绍。

字数

12个

横向

192列

纵向

16列

颜色

双基色

接口

08接口

表3-3LS-TS显示屏特点

LED控制电路则是由基本的译码器，移位寄存器等相关的TTL芯片组成。

3.2.4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。

MAX629芯片内部有一个电源电压转换器，可以把输入的+5V电压变换LED显示屏所需要的12V驱动电压。

所以采用此芯片接口串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。

以下分别是两种芯片的基本资料：

图3.5LT1117管脚图表3-4LT1117管脚描述

本设计会用到两种型号LT1117，分别是LT1117-3.3/LT1117-5。

引脚号

名称

功能

1

该引脚置低，可使MAX629关闭且电流仅需1μA

2

POL

POL=GND，输出为正电压；POL=VCC，输出为负电压

3

REF

1.25V基准电压输出，向外提供电流I其范围：

10μA

4

FB

输出电压反馈，随时检测输出电压值

5

ISET

输出电流设置：

ISET=VCC,

=500mA；ISET=GND;

=250mA

6

GND

芯片电源地

7

LX

内部N沟道MOSFET漏极

8

VCC

芯片电源正

表3-5MAX626芯片管脚描述

3.2.5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。

3.3原理简介

根据图3-1所示，上级系统经由串口通信模块向ARM控制芯片发送数据，ARM芯片控制时序并将送过来的数据存入存储器中，这样可以保证以后信息的显示不用再要上位机的参与以节省资源，若要改变现实的信息可以再通过上位机修改存储器中的数据再复位从新开始。

显示环节不需要上级系统的参与，由ARM控制芯片直接控制存储器与LED显示模块之间的数据传输与时序控制，具体是ARM芯片根据具体情况将要显示的图文信息抓换成相应的二进制编码通过通信模块二发送给显示控制电路，再相应的位置置高低电平通过驱动电路点亮相应的LED管以实现信息的显示。

当系统上电以后ARM控制模块首先检查是否有数据从上级系统送来，如果有则啊暂时停止LED显示屏的显示，空出系统的总线与ARM资源接收来自上级系统的数据并将数据依次存入存储器中。

当上级系统数据传送完毕后停止RS232接口的数据传输，将系统的资源用于对存储器中信息的显示，ARM控制模块开始接受存储器中的数据，一个汉字占用4个字节的存储空间需要显示屏的4块8*8LED显示子块，ARM是32位机每次可以传输4个字节即一个汉字，并将数据按照程序的控制在时钟的控制下将第一个字的数据输入到开始的四个LED显示子快上已完成一个汉字的显示，接着移位寄存器选中接下来的四个LED显示子块，同时控制存储器送入下一个汉字的数据在按照上面的相同的方式处理，这样第二个字便显示在第一个字的后面，以后的数据都这样处理。

当显示了12个汉字便形成一屏汉字，同时移位寄存器又回到开始的状态，这时应用一个延时程序，过后清屏，开始开始显示下一屏信息。

直到存储器中整个信息段都已显示完毕，便使程序回到开始位置重复显示。

这样存入存储器中的数据在没有更新便一直这样重复显示。

在整个信息段没有显示完成的过程中关闭RS232接收器中断，来防止显示的过程中有数据传来而中断信息显示的完整性。

在整个信息段显示完成后开启RS232接收器中断，检查是否有新数据传来，若有，则立即更新数据停止显示旧的信息段转而从头显示新数据。

若没有，则继续显示旧的数据。

4.系统硬件设计

在上一节的总体设计中，将本系统划分了ARM控制模块，串口通信模块，LED显示模块，以及电源与时钟模块等等。

在本章中，将介绍各模块的硬件电路的设计，以及解释一下这样设计的原理。

4.1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。

因此电源模块是总个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L