基于ARM的LED显示.doc

1、 湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 1页 目 录 1.绪论 2 1.1 LED 显示屏产业发展现状及发展趋势 2 1.2 ARM 处理器的发展现状 4 1.3 本课题设计的目的与研究方法 6 1.4 本论文的主要内容 7 2 基于 ARM的 LED 显示单元的基本原理 8 2.1 ARM7 的基本原理 8 2.1.1 ARM7 概述 8 2.1.2 UART 串口 9 2.2 LED 点阵显示屏 11 2.2.1 LED 点阵屏的显示原理 11 2.2.2 LED 的驱动原理 11 2.2.3 LED 显示屏的优点 12 2.3 ARM 对 LED 的控制显示 13 2.4 RS485 通信协

2、议 15 3.毕业设计整体规划 16 3.1 整体思路 16 3.2 芯片选型： 16 3.3 原 理简介 17 4.系统硬件设计 20 4.1 电源模块的设计 20 4.2 ARM 模块的设计 22 4.3 串口模块的设计 25 4.4 LED 屏控制模块 28 5 系统的软件设计 30 5.1 ARM ADS 集成开发环境的介绍 30 5.2 软件的控制流程分析 32 5.2.1 握手信号的流程与通信数据帧格式 32 5.2.2 通信实例分析 34 5.3 ARM 主程序的设计 35 5.3.1 主程序的简要分析 35 5.3.2 主程序流程图 35 5.4 中断子程序的设计 36 5.4

3、.1 中断子程序的简要分析 36 5.4.2 中断子程序流程 37 5.5 LED 控制器的工作流程 39 结束语 40 湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 2页 1.绪论 1.1 LED 显示屏产业发展现状及发展趋势 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成像素组成大面积显示屏幕 , 以可靠性高、使

4、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

5、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 , 井有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流

6、产品。 高亮度、全彩化 蓝色及纯绿色 LED 产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化，使 LED全彩色显示屏产品成本下降，应用加快。目前国际上 LED红管的单价急剧下跌，某些厂商的蓝管价格也下降到 0.8美元 /颗，纯绿管逐渐大批量生产，湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 3页 显示屏屏体价格会逐步降低；同时，随着控制技术的发展和屏体稳定性的提高，使显示屏的质量也较过去为佳。全彩色 LED 显示屏将是 LED 显示屏的重要发展方向。 LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全

7、彩色显示 屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色 LED 屏更会成为主流产品。据不完全统计，世界上目前至少有 150家厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有 30 家左右，主要分布在美国、欧洲、亚洲 (日本、中国台湾、中国大陆 )。国内从 1994、 1995 年开始生产全彩色显示屏，到 2001年底，全国范围内的全彩色 LED 显示屏达到 300 多块。全彩色 LED 显示屏的广泛应用会是 LED 显示屏产业发展的一 个新的增长点。 标准化、规范化 材料、技术的成熟及

8、市场价格的基本均衡之后， LED显示屏的标准化和规范化将成为一个新趋势。近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条 件下是以价格作为主要的竞争手段 几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对 LED显示屏的标准化和规范化有了较高要求。 1999年，中国光协光电器件分会 LED 显示屏专业委员会在昆明组织起草了 LED 显示屏检测方法，经修改后，于 2000年 8月正式印发。目前电子标准化研究所与 LED 显示屏专业委员会正在就标准体系和具 体标准的建立组织力量进行有关工作。 产品结构多样化 信息化社会的形成 , 信息领域愈加广泛 , 显示屏的应用前景更为广阔

9、。预计大型或超大型 LED显示屏的主流产品局面将会发生改变 , 适合护服务行业特点和专业性要求的小型 LED示屏会有较大提高 , 而向信息服务领域的 LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富部分潜在的市场需求和应用领域将会有所突破 , 如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系列LED显示屏在 LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。 湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 4页 1.2 ARM 处理器的 发展现状 ARM是 Advanced RISC Machines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗

10、的 RISC处理器、相关技术及软件。 ARM公司于二十世纪 90年代成立于英国剑桥大学，在十多年的发展历程中， ARM公司已经成长为 IP核设计领域的一面旗帜。 ARM处理器核当前有 7 个系列产品 :ARM7 , ARM9 , ARM9E , ARM10E , SecurCore ,ARM11 以及最新的 Cortex 系列。其中 ,ARM7 、 ARM9 、 ARM9E、 ARM10E 为 4 个通用处理器系列 ,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求 ,SecurCore 系列专门为安全 要求较高的应用而设计 ,产品性能见表 1。 表 1.1 ARM处理器内核性能 A

11、R M 技术的发展趋势 1. 高度集成化的 SOC 趋势 ARM 公司是一家 IP 供应商，其核心业务是 IP核以及相关工具的开发和设计。半导湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 5页 体厂商通过购买 ARM 公司的 IP 授权来生产自己的 微处理器芯片， 从而产生了一大批高度集成、各具特色的 SOC芯片。例如 Intel公司的 XScale 系列集成了 LCD 控制器、音频编 / 解码器，定位于智能 PDA市场； Atmel 公司的 AT91系列片内集成了大容量 Flash 和RAM、高精度 A/D 转换器以及大量可编程 I/O 端口，特别适合于工业控制领域； Philips公司的 LPC200

12、0系列片内集成了 128位宽的零等待 Flash存储器以及 I2C、 SPI、 PWM、UART 等传统接口 。 2. 软核与硬核同步发展的 S O P C技术 随着亚微米技术的发展， FPGA 芯片密度不断增加，并以强大的并行计算能力和方便灵活的动态可重构性， 被广泛地应用于各个领域。但是在复杂算法的实现上， FPGA 却远没有 32 位 RISC 处理器灵活方便，所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时，往往需要 RISC 和 FPGA 结合使用， SOPC 技术就是在这样的环境下诞生的。 S O P C 技术中以 N i o s 和 MicroBlaze为代表的 RISC处理器 IP核、

13、各种标准外设 IP核以及用户以HDL 语言开发的逻辑部件可以最终综合到一片 FPGA 芯片中，实现真正的可编程片上系统，此时的嵌入式处理器称之为 “软处理器 ”或 “软核 ”。 SOPC 技术的另一个重要分支是 嵌入硬核。集高密度逻辑 (FPGA)、存储器 (SRAM)及嵌入式处理器 (ARM/PPC)于单片可编程逻辑器件上，实现了高速度与编程能力的完美结合。 3. 与 DSP 技术融合 传统的嵌入式微处理器可以分为微控制器 MCU、微处理器 MPU和数字信号处理器DSP，然而随着技术的发展，它们之间的区别也变的越来越模糊，并有逐步融合的趋势。现在不少的 MCU 和 MPU 具备了 DSP的特

14、征，例如采用哈佛结构，增加了乘加运算指令等；同时不少 DSP 芯片内部也集成了 A/D、 D/A、定时 / 计数器和 UART 等。 4. 开发和调 试手段不断完善 随着嵌入式应用系统的日益复杂化以及开发周期越来越短，开发和调试手段也发生了很大改变。硬件方面由于 QFP 和 BGA 封装的逐渐普及，以边界扫描接口 (JTAG)为基础的在电路仿真调试手段 (ICE)正在普及，更为先进的片上实时跟踪 (Trace)技术也已浮出水面。软件方面，采用嵌入式操作系统来管理软、硬件资源，同时传统的 C语言和汇编语言混合编程的模式也因为引入面向对象思想以及 C和 Java语言而发生了很大改变。 湖南大学毕业

15、设计 (论文 ) 第 6页 5. 软件工程思想融入嵌入式软件 嵌入式软件规模不断扩大，以往的面向过程的模块化分析 方法已经很难满足要求。基于对象的统一建模语言 (UML)可以描述对于实时系统极为关键的结构和行为方面，并且已成为有效设计的优秀媒介。首先，采用有限状态机 (FSM) 、统一化规格语言 (CSP)和硬件描述语言 (HDL)等方法对系统进行抽象描述，对软 /硬件统一表示，便于功能划分和综合；然后，在此基础上对软 / 硬件进行划分。这种方法的特点是在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑软 /硬件的关系，并在设计的每个层次上给予测试验证，使得尽早发现和解决问题。 1.3 本课题设计的目

16、的与研究方法 本设计是智能公交管理系统的 一个项目分支，主要设计目标是实现：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模块，实现对汉字的滚动显示。 本课题主要是通过设计 LED显示屏的控制系统（基于 ARM）来达到一个让我掌握设计研究的基本思路、过程、方法。并通过具体的课题设计进一步的加深和巩固对 RAM芯片、 C+语言、 LED显示屏的结构和工作原理等知识的认识。 本设计采用 的研究手段主要步骤如下： 选取

17、合适的便于 ARM7控制的车载 LED屏。 LED显示屏主要由 LED点阵组成，为了缩短开发周期，争取选用已经安装好底层驱动，具备标准串行接口的 LED显示屏模块。 实现 ARM接口与 LED接口的匹配。由于汉字显示时，对数据的传输数率要求不高，故可采用串口传输。 本课题设计的重难点是：显示屏控制系统的芯片选型，与主电路的接口设计， LED显示屏的结构原理以及如何驱动。 重点： 1.芯片的选型，主要是抓住设计的整体思路，明确设计所要达到的目的、要求，从而选择符合要求，经济合理的芯片。 2.接口设计，要阅读相关的文献，人机界面与控制板之间的接口通信采用RS-485接口，控制板内部的接口是具体情况

18、而定。 湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 7页 难点：本设计的难点要属 LED 显示屏的结构原理以及如何驱动，由于要显示汉字且根据公交车提示屏的大小尺寸采用若干 88 点阵 LED 显示模块（数量大概几十块）级联，模块数量比较多，驱动以及接口设计问题将比较棘手。对于这个问题我打算先认真学习相关的理论知识，然后自己研究实物进而自己动手设计，不懂的向学长或老师请教。 1.4 本论文的主要内容 第一章：绪论。综述 ARM处理器与 LED显示屏的发展现状及其发展趋 势。 第二章：基于 ARM的 LED显示单元的基本原理。该部分对组成系统的各部分及其原理进行了介绍。 第三章：基于 ARM的 LED显示单

19、元的整体设计。给出了系统设计方案，和重要芯片及元器件的选型。 第四章：系统的硬件设计。给出系统各模块的详细电路图。 第五章：系统的软件设计。给出控制 LED显示的各子程序的流程图，以及个别程序的详细程序。 第六章：结束语。 湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 8页 2 基于 ARM的 LED显示单元的基本原理 2.1 ARM7的基本原理 2.1.1 ARM7概述 ARM7TDMI CPU的微控制器带有 128/256 k字节 (kB)嵌入的高速 Flash存储器。 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。对代码规模有严格控制的应用可使用 16位 Thum

20、b模式将代码规模降低超过 30%，而性能的损失却很小。在本系统中将会用到的 LPC2294 较小的 144 脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、 4路 10位 ADC 或 8路 10位 ADC（ 64脚和 144脚封装）以及多达 9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和 POS机。 LPC2292/2294系列芯片的特性： 1. 16/32位 ARM7TDMI-S微处理器， LQFP144封装。 2. 16 kB片内静态 RAM和 256kB片内 Flash程序存储器。 128位宽接口 /加速器可实现高达 60MHz的工作频率 3. 通过片内 boot 装载程序实现在系统编

21、程（ ISP）和在应用编程（ IAP）。 512 字节行编程时间为 1ms。单扇区或整片擦除时间为 400ms。 4. EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口使用片内 RealMonitor 软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪 5. 2/4(LPC2292/2294)个互连的 CAN 接口，带有先进的验收滤波器。多个串行接口，包括 2个 16C550工业标准 UART、高速 I2C 接口（ 400 kbit/s）和 2个 SPI接口。 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

22、路比较通道）、 PWM单元（ 6路输出）、实时时钟和看门狗。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 8. 通过外部存储器接口可将存储器配置成 4组，每组的容量高达 16Mb，数据宽度为 8/16/32位 。 9. 多达 112 个通用 I/O 口（可承受 5V 电压 ）， 9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。 湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 9页 10. 通过片内 PLL可实现最大为 60MHz的 CPU操作频率 。 11. 片内晶振频率范围： 130 MHz。 2个低功耗模式：空闲和掉电。 12. 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。 13.

23、 双电源 CPU操作电压范围： 1.65 1.95 V(1.8 V 0.15 V) I/O 操作电压范围： 3.0 3.6 V(3.3 V 10%)，可承受 5V电压。 2.1.2 UART串口 在本设计中将会用到 UART0 口作为 ARM 与 LED 控制器的通信接口。 UART 是Universal Asynchronous Receiver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。该口支持 RS485通信协议。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

24、们是 U0RBR和 U0THR。 U0RBR是 UART0 Rx FIFO 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 UART0 Tx FIFO 的最高字节。它包含了 Tx FIFO 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。 2.1.3 ARM处理器相比与 51单片机的优点 本设计之所以选择 ARM7芯片而不选择 51系列芯片作为控制 CPU是基于以下几个优点： 1. ARM7芯片是 32位 CPU，而

25、51系列芯片则是 8位 CPU，对与相同功能的指令，ARM的数据处理能力要明显强大得多。 2. ARM7芯片一般都集成有大容量的片内存储 器和各种外围芯片，所以就大量减少了外围芯片的连接，精简了电路规模，降低了系统设计的难度和复杂度。 3. ARM7指令的处理采用取指，译码，执行 三级流水线结构，而 51系列单片机指令是顺序读取和执行的。在 ARM7系列中流水线越多，说明单位时间内执行指令的湖南大学毕业设计 (论文 ) 第 10页 条数就越多，正是因为这种结构 ARM7的指令吞吐量要大，运算速度要快。 4. ARM 处理器有多种工作模式 , 而 51 系列只有一种。 ARM处理器结构支持 7

26、种处理器模式 ,各种模式都会单独享有一定的系统资源，这就有利于在模式切换时减少保存的次数，提高程序的执行效 率，显然 51 系列单片机是在任何情况下都是共享相同的硬件资源。 5. ARM7 处理器拥有比 51 单片机更为高效的汇编指令集，且 ARM7 处理器支持C,C+等高级语言进行开发，所以使用 ARM处理器编程会更简单。 6. 通常 ARM7 处理器都会有丰富的串口资源，且其支持的串口标准种类较多，所以能方便的与外部电路相连。 7. ARM7处理器的硬件资源远比 51单片机丰富。（见表 2.1） 51系列单片机内核 ARM7处理器 8位代码指令 32位代码指令 8位数据总线 32位数据总线 16位地址总线 32位地址总线 6个中断源 7个中断源 工作寄存器（ R0-R7） 共 37个寄存器 程序寄存器 程序寄存器 状态寄存器 状态寄存器 累加器 A和 B 37个寄存器均可作累加器 寻址范围 16位地址宽度 寻址范围 32位地址宽度 不能预取指 三级流水预取指 一种工作模式 7种工作模式 不支持协处理器 支持协处理器 不支持 JTAG调试 支持 JTAG调试 表 2.1 51系列和 ARM处理器的比较