LED广告牌系统设计

1、基于ARM的LED广告牌系统设计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11摘 要随着信息时代高新技术的飞速发展，人们对及时获取并显示各类信息的愿望日益强烈，由此带动了信息传媒的飞速发展，发光二极管(LED)显示屏就是信息显示的重要传媒之一 目前各种大屏幕LED显示屏的控制常采用8位或16位的微处理器，但由于这些微处理器系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题，已难满足显示区域较大、显示内容切换频繁的相对较复杂的应用场合本课题针对目前大屏幕LED显示系统存在的问题，结合当

2、今先进的微控制器产品、控制技术和通信技术，采用基于ARM核的新一代32位嵌入式RISC微处理器组成前级驱动电路，PC机用于后级管理和控制，方便地组成由多块大屏幕LED显示器构成的显示系统与传统的基于8位或16位普通单片机的LED显示系统相比较，该系统在不显著增加系统成本的情况下，可支持更大可视区域的稳定显示，同时可存储更多的显示内容关 键 词：32位ARM微处理器；LED显示系统目 录摘 要1目 录21 系统功能分析31.1 LED电子显示屏31.2 整体思路31.3 原理介绍42 系统硬件设计52.1 电源模块的设计52.2 ARM控制模块的设计52.3 串口通信模块的设计62.4 LED显

3、示模块62.5 模块功能73 系统工作流程及控制方式分析83.1 系统工作流程83.2 传输方式83.3 软件控制系统字模提取的分析与设计93.4 系统综述94 总结10参 考 文 献111 系统功能分析1.1 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

4、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。1.2 整体思路本课题是广告牌系统设计。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

5、，时钟模块，电源模块五部分。以下是本次设计的方块图：时钟模块串口通信模块1ARM控制模块上位系统串口通信模块2LED控制电路（驱动电路与接口电路等）电源模块存储器LED控制板LED显示屏 LED显示模块图2-1 系统方块图1.3 原理介绍上级系统经由串口通信模块一向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

6、示的图文信息转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

7、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

8、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。2 系统硬件设计2.1 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。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LT1117+5，220交流输入，5伏直流输出。为了提供+3.3V的直流电压，采用的是+3.3伏电压管理芯片LT1117，+5伏供电，+3.3伏输出。图3-1是由交流22

9、0伏电压转换成5伏直流电压输出的简要原理框图：图3-1 交流220.伏电压转5伏直流电压电路图2.2 ARM控制模块的设计由于飞利浦公司的LPC2294集成了非常丰富的外围接口电路，所以本模块的设计基本上只涉及ARM处理器各引脚的设置。图3-2 ARM复位电路图3-3 系统的时钟电路设计在本系统中给ARM设计的晶振频率是11.0592M。从设计框图来看，ARM控制块主要的控制功能有：，对串行通信端口的控制。，对存储器读写操作。，对显示模块的控制。2.3 串口通信模块的设计串口模块是本设计的一个重点模块，它负责ARM模块与LED模块之间的信息通信。硬件电路是否设计得当关系到二者通信质量的好坏。本

10、串口通信协议采用RS232串口协议。在本模块中采用的RS232接口芯片是MAXIM公司的MAX232。MAX23是MAXIM公司生产的RS232收发器，它支持EIA/TIA-232和ITU-TV.28/V.24通信协议，适用于便携式设备使用（如笔记本电脑及PDA）。MAX232内有一个高效电荷泵，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换。RS232 接口电路的主要功能是：将来自微处理器的发送信号TxD 通过“发送器”转换成通讯网络中的电压信号，也可以将通讯网络中的电压信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RxD 信号。任一时刻，RS-232收发器只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一，

11、因此，必须为RS-232 接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。2.4 LED显示模块LED模块系统中独立性比较强的一个模块，LED点阵的驱动显示主要是靠LED模块中自带的LED控制器来完成，它只与与ARM的UART口进行通信，当它收到上位机的命令后，直接调用存储器内的相关程序驱动LED点阵。它只和外部的串口模块有连接。图3-4为LED模块与串口的连接示意图：图3-4 LED模块与串口连接示意图2.5 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

12、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。3 系统工作流程及控制方式分析3.1 系

13、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。3.2 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

14、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

15、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。

16、 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

17、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。3.3 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

18、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。3.4 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