LED廣告牌系統(tǒng)設計

1、基于ARM的LED廣告牌系統(tǒng)設計課程設計嵌入式系統(tǒng)課程設計報告題 目：基于ARM的LED廣告牌系統(tǒng)設計 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 成 績： 電子與信息工程學院信息與通信工程系11摘 要隨著信息時代高新技術的飛速發(fā)展，人們對及時獲取并顯示各類信息的愿望日益強烈，由此帶動了信息傳媒的飛速發(fā)展，發(fā)光二極管(LED)顯示屏就是信息顯示的重要傳媒之一 目前各種大屏幕LED顯示屏的控制常采用8位或16位的微處理器，但由于這些微處理器系統(tǒng)的運行速度、尋址能力和功耗等問題，已難滿足顯示區(qū)域較大、顯示內(nèi)容切換頻繁的相對較復雜的應用場合本課題針對目前大屏幕LED顯示系統(tǒng)存在的問題，結合當

2、今先進的微控制器產(chǎn)品、控制技術和通信技術，采用基于ARM核的新一代32位嵌入式RISC微處理器組成前級驅動電路，PC機用于后級管理和控制，方便地組成由多塊大屏幕LED顯示器構成的顯示系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于8位或16位普通單片機的LED顯示系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)在不顯著增加系統(tǒng)成本的情況下，可支持更大可視區(qū)域的穩(wěn)定顯示，同時可存儲更多的顯示內(nèi)容關 鍵 詞：32位ARM微處理器；LED顯示系統(tǒng)目 錄摘 要1目 錄21 系統(tǒng)功能分析31.1 LED電子顯示屏31.2 整體思路31.3 原理介紹42 系統(tǒng)硬件設計52.1 電源模塊的設計52.2 ARM控制模塊的設計52.3 串口通信模塊的設計62.4 LED顯

3、示模塊62.5 模塊功能73 系統(tǒng)工作流程及控制方式分析83.1 系統(tǒng)工作流程83.2 傳輸方式83.3 軟件控制系統(tǒng)字模提取的分析與設計93.4 系統(tǒng)綜述94 總結10參 考 文 獻111 系統(tǒng)功能分析1.1 LED電子顯示屏LED電子顯示屏是由幾百-幾十萬個半導體發(fā)光二極管構成的像素點，按矩陣均勻排列組成。利用不同的半導體材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。 LED顯示屏是一種通過控制半導體發(fā)光二極管的亮度的方式來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED顯示屏分為圖文顯示屏和

4、條幅顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形，而條幅顯示屏則適用于小容量的字符信息顯示。LED顯示屏因為其像素單元是主動發(fā)光的，具有亮度高，視角廣，工作電壓低，功耗小，壽命長，耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。1.2 整體思路本課題是廣告牌系統(tǒng)設計。一方面所用的LED子塊比較多，外圍電路與掃描驅動的比較復雜，另一方面，現(xiàn)在市面上的ARM7芯片價格也很便宜，性價比很高，所以本課題采用LPC2294芯片作為主控制芯片。本課題的具體功能主要是對上級系統(tǒng)送過來的顯示信息進行存儲，處理，控制，與顯示。根據(jù)這一定義可以將課題具體劃分為ARM控制模塊，串口通信模塊，LED顯示模塊

5、，時鐘模塊，電源模塊五部分。以下是本次設計的方塊圖：時鐘模塊串口通信模塊1ARM控制模塊上位系統(tǒng)串口通信模塊2LED控制電路（驅動電路與接口電路等）電源模塊存儲器LED控制板LED顯示屏 LED顯示模塊圖2-1 系統(tǒng)方塊圖1.3 原理介紹上級系統(tǒng)經(jīng)由串口通信模塊一向ARM控制芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，ARM芯片控制時序并將送過來的數(shù)據(jù)存入存儲器中，這樣可以保證以后信息的顯示不用再要上位機的參與以節(jié)省資源，若要改變現(xiàn)實的信息可以再通過上位機修改存儲器中的數(shù)據(jù)再復位從新開始。顯示環(huán)節(jié)不需要上級系統(tǒng)的參與，由ARM控制芯片直接控制存儲器與LED顯示模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸與時序控制，具體是ARM芯片根據(jù)具體情況將要顯

6、示的圖文信息轉換成相應的二進制編碼通過通信模塊二發(fā)送給顯示控制電路，再相應的位置置高低電平通過驅動電路點亮相應的LED管以實現(xiàn)信息的顯示。當系統(tǒng)上電以后ARM控制模塊首先檢查是否有數(shù)據(jù)從上級系統(tǒng)送來，如果有則暫時停止LED顯示屏的顯示，空出系統(tǒng)的總線與ARM資源接收來自上級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)依次存入存儲器中。當上級系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送完畢后停止RS232接口的數(shù)據(jù)傳輸，將系統(tǒng)的資源用于對存儲器中信息的顯示，ARM控制模塊開始接受存儲器中的數(shù)據(jù)，一個漢字占用4個字節(jié)的存儲空間需要顯示屏的4塊8*8LED顯示子塊，ARM是32位機每次可以傳輸4個字節(jié)即一個漢字，并將數(shù)據(jù)按照程序的控制在時鐘的控制下將第一個

7、字的數(shù)據(jù)輸入到開始的四個LED顯示子快上已完成一個漢字的顯示，接著移位寄存器選中接下來的四個LED顯示子塊，同時控制存儲器送入下一個漢字的數(shù)據(jù)在按照上面的相同的方式處理，這樣第二個字便顯示在第一個字的后面，以后的數(shù)據(jù)都這樣處理。當顯示了12個漢字便形成一屏漢字，同時移位寄存器又回到開始的狀態(tài)，這時應用一個延時程序，過后清屏，開始開始顯示下一屏信息。直到存儲器中整個信息段都已顯示完畢，便使程序回到開始位置重復顯示。這樣存入存儲器中的數(shù)據(jù)在沒有更新便一直這樣重復顯示。在整個信息段沒有顯示完成的過程中關閉RS232接收器中斷，來防止顯示的過程中有數(shù)據(jù)傳來而中斷信息顯示的完整性。在整個信息段顯示完成后

8、開啟RS232接收器中斷，檢查是否有新數(shù)據(jù)傳來，若有，則立即更新數(shù)據(jù)停止顯示舊的信息段轉而從頭顯示新數(shù)據(jù)。若沒有，則繼續(xù)顯示舊的數(shù)據(jù)。2 系統(tǒng)硬件設計2.1 電源模塊的設計電源模塊為總個系統(tǒng)提供合適的電壓與電流。其設計正確與否，關系到總個電路能否持續(xù)穩(wěn)定的工作。電源設計實首先要能提供+5V電源。但是ARM模塊需要+3.3V的直流電源，LED顯示屏除了需要+3.3V邏輯電壓外，還需+12伏的直流驅動電壓。系統(tǒng)采用5伏電壓管理芯片LT1117+5，220交流輸入，5伏直流輸出。為了提供+3.3V的直流電壓，采用的是+3.3伏電壓管理芯片LT1117，+5伏供電，+3.3伏輸出。圖3-1是由交流22

9、0伏電壓轉換成5伏直流電壓輸出的簡要原理框圖：圖3-1 交流220.伏電壓轉5伏直流電壓電路圖2.2 ARM控制模塊的設計由于飛利浦公司的LPC2294集成了非常豐富的外圍接口電路，所以本模塊的設計基本上只涉及ARM處理器各引腳的設置。圖3-2 ARM復位電路圖3-3 系統(tǒng)的時鐘電路設計在本系統(tǒng)中給ARM設計的晶振頻率是11.0592M。從設計框圖來看，ARM控制塊主要的控制功能有：，對串行通信端口的控制。，對存儲器讀寫操作。，對顯示模塊的控制。2.3 串口通信模塊的設計串口模塊是本設計的一個重點模塊，它負責ARM模塊與LED模塊之間的信息通信。硬件電路是否設計得當關系到二者通信質量的好壞。本

10、串口通信協(xié)議采用RS232串口協(xié)議。在本模塊中采用的RS232接口芯片是MAXIM公司的MAX232。MAX23是MAXIM公司生產(chǎn)的RS232收發(fā)器，它支持EIA/TIA-232和ITU-TV.28/V.24通信協(xié)議，適用于便攜式設備使用（如筆記本電腦及PDA）。MAX232內(nèi)有一個高效電荷泵，可以完成兩路TTL/RS-232電平的轉換。RS232 接口電路的主要功能是：將來自微處理器的發(fā)送信號TxD 通過“發(fā)送器”轉換成通訊網(wǎng)絡中的電壓信號，也可以將通訊網(wǎng)絡中的電壓信號通過“接收器”轉換成被微處理器接收的RxD 信號。任一時刻，RS-232收發(fā)器只能夠工作在“接收”或“發(fā)送”兩種模式之一，

11、因此，必須為RS-232 接口電路增加一個收/發(fā)邏輯控制電路。2.4 LED顯示模塊LED模塊系統(tǒng)中獨立性比較強的一個模塊，LED點陣的驅動顯示主要是靠LED模塊中自帶的LED控制器來完成，它只與與ARM的UART口進行通信，當它收到上位機的命令后，直接調用存儲器內(nèi)的相關程序驅動LED點陣。它只和外部的串口模塊有連接。圖3-4為LED模塊與串口的連接示意圖：圖3-4 LED模塊與串口連接示意圖2.5 模塊功能ARM控制模塊：該模塊主要由一塊ARM7的控制板組成，它的主要作用是對存儲器，信源與LED顯示模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸以及時序控制。 通信模塊：模塊一采用RS-485通信接口主要功能是接收上級信

12、源發(fā)送過來要顯示的信息。RS485協(xié)議是目前應用非常廣泛的半雙工串行通信協(xié)議。顯示控制電路：該部分主要包括晶體管，電阻，相應的芯片組成。主要功能是負責LED點陣的驅動和與ARM的接口。 LED點陣模塊：該部分是由若干的LED顯示單元級聯(lián)而成，可組成共陰或共陽極結構。它接收ARM的數(shù)據(jù)在相應的位置置高電平或低電平來點亮相應位置的LED。 電源模塊：設計該電源模塊的前提是認為外界已能提供+5V直流電源，也就是說在該電源模塊里不用再設計交流變直流的電源轉換器。該模塊主要由一些電壓轉換芯片和一些穩(wěn)壓芯片組成。它的主要功能是為系統(tǒng)的各模塊提供合適的穩(wěn)定的電壓供應。3 系統(tǒng)工作流程及控制方式分析3.1 系

13、統(tǒng)工作流程上級系統(tǒng)經(jīng)由通信模塊1向ARM控制芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，ARM芯片控制時序并將送過來的數(shù)據(jù)存入存儲器中，這樣可以保證以后信息的顯示不用再要上位機的參與以節(jié)省資源，若要改變現(xiàn)實的信息可以再通過上位機修改存儲器中的數(shù)據(jù)再復位從新開始。顯示環(huán)節(jié)不需要上級系統(tǒng)的參與，由ARM控制芯片直接控制存儲器與LED顯示模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸與時序控制，具體是ARM芯片根據(jù)具體情況將要顯示的圖文信息抓換成相應的二進制編碼通過通信模塊二發(fā)送給顯示控制電路，再相應的位置置高低電平通過驅動電路點亮相應的LED管以實現(xiàn)信息的顯示。3.2 傳輸方式目前常見的是并行傳輸方式，通過8位鎖存器將8位總線上的列數(shù)據(jù)進行鎖存顯示各8位

14、鎖存器的片選信號由譯碼器提供。此種方式的優(yōu)點是傳輸速度快，對微控制器的通信速度要求較低。但是這種方案最大的缺點是不便于隨意擴展顯示單元的數(shù)目。每增加一個點陣的全角漢字顯示單元，就需要在之前的電路上多增加兩根地址線，這就要求在PCB布線的時候要留有充足的地址線冗余量。再一個缺點是，每個單元的PCB隨著安放位置的不同，布線結構也不相同，不利于廠家批量生產(chǎn)。并行傳輸需要的芯片較多，因此市場上已經(jīng)出現(xiàn)用FPGA,CPLD等高密度可編程邏輯器件PLD來取代傳統(tǒng)鎖存器IC的方案。成本有所下降，但可擴展性仍舊較差。因此，并行傳輸方式適用于顯示單元數(shù)目確定的條屏。 隨著廣告屏顯示內(nèi)容的多媒體化，對控制器傳輸速

15、度，運算能力的要求越來越高。因此控制器的種類也在不斷發(fā)展以適應要求，最初的8051，ARM到PICARM又到FPGA，直到現(xiàn)在的ARM處理器。不同功能檔次的廣告屏對應著不同的處理器。 1.以傳統(tǒng)8051為控制器的LED顯示屏。因受到ARM運算速度及通信速率的限制LED動態(tài)顯示的刷新率不可能做得太高。對顯示效果和移動算法的處理也比較吃力在實際顯示效果上有比較明顯的閃爍感。除此之外，傳統(tǒng)8051ARM的內(nèi)部資源貧乏，僅128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，幾K字節(jié)的程序內(nèi)，無E2PROM。這就需要對ARM擴展外設，無疑增加了硬件成本。因此，8051控制的條屏只能用于顯示內(nèi)容及其簡單不需要經(jīng)常更改顯示內(nèi)容的場合。

16、 2.以PICARM為控制器的LED顯示屏。因PICARM是RISC架構的工業(yè)專用ARM處理指令的速度有所增加，抗干擾能力優(yōu)秀，型號種類繁多。作為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果，同時PICARM內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設計難度，同時降低了硬件成本。因此，以PICARM為控制器的條屏目前仍是單色條屏市場的主流。 3.以FPGA復雜可編程邏輯門陣列，為控制器的LED顯示屏。FPGA以高速、并行著稱。是近年來新興的可編程邏輯器件。用他作為LED顯示屏的控制器，能夠高速的處理色階PWM信號、高速的完成動態(tài)掃描邏輯、高速的完成字符移動算法。因此被運用于雙基色、三基色的顯示系統(tǒng)。但是其成本較

17、高，開發(fā)難度較大。 4.以ARM32位RISC架構高性能微處理器，為控制器的LED顯示屏。ARM有著極高的指令效率極高的時鐘頻率。因此其運算能力非常強大，內(nèi)部資源也十分豐富，極大的簡化了硬件設計的難度，縮短了開發(fā)周期。在條屏的運用中，能用ARM來實現(xiàn)花樣繁多的顯示方式，以及高色階，多像素的全彩屏驅動。ARM與FPGA的組合更是功能強大，除了海量存儲技術，無線更新技術外，還能實時地顯示視頻信號。3.3 軟件控制系統(tǒng)字模提取的分析與設計在LED顯示屏控制系統(tǒng)具體應用的Windows操作系統(tǒng)下如何提取字模信息是設計的核心。軟件控制系統(tǒng)在實際編輯過程中，要求各種字體、字號的文字都能被編輯、保存。所以系

18、統(tǒng)在設計時，把文本區(qū)理解為由眾多的象素點構成，而把不同字體、字號的文字理解為一幅圖像。因為所開啟的文本區(qū)大小與LED顯示屏的大小對應，所以采用點陣為單位元，把文本區(qū)內(nèi)的每個像素點都看成一個二維數(shù)組。由于系統(tǒng)中各種顏色都有對應的值，賦予每個不同顏色的像素點不同的對應值，再把每個點賦予一個int型的值，這樣保存下來的信息就是二進制數(shù)據(jù)。通過這樣的設計，我們不僅可以把任何字型，任何大小的文字保存下來，還可以顯示以256個像素點陣為單位的任何圖形。在軟件控制系統(tǒng)中實現(xiàn)字模的提取，也就避免了在ARM中加載硬漢字庫模塊從而簡化了硬件模塊的設計。3.4 系統(tǒng)綜述系統(tǒng)主要由三部分組成：PC機，顯示控制電路和LED顯示屏構成。PC機在控制中作為上位機，用于對下位機的控制和管理。系統(tǒng)的重點是顯示控制電路，ARM和CPLD是顯示控制電路的核心部分，共同完成數(shù)據(jù)的轉換。控制信號的發(fā)送產(chǎn)生以及對LED顯示屏的動態(tài)掃描控制，其中數(shù)據(jù)轉換信號控制部分采用ARM實現(xiàn)，而LED顯示屏的掃描驅動電路采用CPLD來完成。上位機與下位機之間的通信采用標