基于ARM的LED广告牌系统设计.doc

课程设计

嵌入式系统

课程设计报告

题 目：
基于ARM的LED广告牌系统设计
班 级：

姓 名：

学 号：

指导教师：

成 绩：

电子与信息工程学院
信息与通信工程系

基于ARM的LED广告牌系统设计

1. 摘要
本文研究了用ARM控制单色显示屏的方法，并对LED显示单元模块如何进行列信号扫描、行列信号控制及驱动问题进行了分析。用LED点阵连接形成一个显示模块，用ARM控制系统和行列扫描驱动电路控制。

2.系统功能分析
2.1 LED电子显示屏
 LED电子显示屏是由几百--几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。 LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形，而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广，工作电压低，功耗小，寿命长，耐冲击和性能稳定等优点。

2.2显示原理及控制方式分析
2.2.1 LED点阵模块结构
八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯数组组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。 根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所显示的文字、图像等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色。双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色。如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。
2.2.2 LED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。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

2.2.3传输方式
目前常见的是并行传输方式，通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器的通信速度要求较低。但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件PLD来取代传统锁存器IC的方案。成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。 随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，最初的8051，ARM到PICARM又到FPGA，直到现在的ARM处理器。不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。
1.以传统8051为控制器的LED显示屏。因受到ARM运算速度及通信速率的限制LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果和移动算法的处理也比较吃力在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外，传统8051ARM的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序内，无E2PROM。这就需要对ARM扩展外设，无疑增加了硬件成本。因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单不需要经常更改显示内容的场合。
2.以PICARM为控制器的LED显示屏。因PICARM是RISC架构的工业专用ARM处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PICARM内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。因此，以PICARM为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。
3.以FPGA复杂可编程逻辑门阵列，为控制器的LED显示屏。FPGA以高速、并行著称。是近年来新兴的可编程逻辑器件。用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。因此被运用于双基色、三基色的显示系统。但是其成本较高，开发难度较大。
4.以ARM32位RISC架构高性能微处理器，为控制器的LED显示屏。ARM有着极高的指令效率极高的时钟频率。因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。
2.3 软件控制系统字模提取的分析与设计
在LED显示屏控制系统具体应用的Windows操作系统下如何提取字模信息是设计的核心。软件控制系统在实际编辑过程中，要求各种字体、字号的文字都能被编辑、保存。所以系统在设计时，把文本区理解为由众多的象素点构成，而把不同字体、字号的文字理解为一幅图像。因为所开启的文本区大小与LED显示屏的大小对应，所以采用点阵为单位元，把文本区内的每个像素点都看成一个二维数组。由于系统中各种颜色都有对应的值，赋予每个不同颜色的像素点不同的对应值，再把每个点赋予一个int型的值，这样保存下来的信息就是二进制数据。通过这样的设计，我们不仅可以把任何字型，任何大小的文字保存下来，还可以显示以256个像素点阵为单位的任何图形。在软件控制系统中实现字模的提取，也就避免了在ARM中加载硬汉字库模块从而简化了硬件模块的设计。

2.4系统综述
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。

3系统总体设计
3.1系统框图

3.2模块功能
ARM控制模块：
该模块主要由一块ARM7的控制板组成，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。
通信模块：
模块一采用RS-485通信接口主要功能是接收上级信源发送过来要显示的信息。RS485协议是目前应用非常广泛的半双工串行通信协议。
显示控制电路：
该部分主要包括晶体管，电阻，相应的芯片组成。主要功能是负责LED点阵的驱动和与ARM的接口。
LED点阵模块：该部分是由若干的LED显示单元级联而成，可组成共阴或共阳极结构。它接收ARM的数据在相应的位置置高电平或低电平来点亮相应位置的LED。
电源模块：
设计该电源模块的前提是认为外界已能提供+5V直流电源，也就是说在该电源模块里不用再设计交流变直流的电源转换器。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。

4系统工作流程
上级系统经由通信模块1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。

5总结
在这一周的设计过程中我遇到了很多困难，但通过从网上，书本上查阅资料与自己的学习,我最终完成了设计任务。
通过本次的设计，理论知识学习和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献数据、设计手册、设计规范以及计算机制图等其它专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。为后继的学习和工作奠定的基础。
在反复修改与翻书的过程中，我理解了很多以前不理解的知识，对知识有了更深层次的感性和理性认识,并且培养和锻炼了我的实际动手设计的能力。
经过这次实习，我深深地感受到，学习知识，一定要亲自动手总结、设计，不然是无法发现自己的问题的。本次设计我收获很大，我会继续不断努力，学习好专业知识并且达到熟练的地步。

6参考文献
周立功.ARM嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学出版社. 2008-9-1.

6