1、湖南文理学院课程设计报告课程名称： 嵌入式系统课程设计 专业班级： 建筑智能 10102 班 学号（30） 学生姓名： 刘源 指导教师： 梅英（老师） 完成时间： 2013 年 7 月 1 日 报告成绩： 湖南文理学院制评阅意见：评阅教师 日期 2013.7.5 1目录第一章设计要求 .2第二章设计作用目的 .2第三章 LED 显示屏的工作原理 .33.1 LED 工作原理 .33.2 LED 器件的驱动原理 .43.3 LED 显示技术的基本原理 .6第四章 LED 彩屏显示设计方案 .12第五章 LED 彩屏显示系统的硬件设计 .125.1 ARM 芯片简介及硬件电路设计 .125.2 C
2、PLD 技术简介及硬件电路设计 .19第六章 LED 彩屏显示系统的软件设计 .206.1 ARM 的软件设计 .206.2 扫描驱动电路的 CPLD 软件设计 .22第七章 系统仿真及调试 .24第八章 心得体会 .25参考文献 .26附录 1 系统原理图 .27附录 2 系统程序 .282按照样本，不分章节，只有要点，精简内容。图不清楚，重新画！ARM 系统在 LED 显示屏中的应用第一章设计要求随着科技的日益进步，基于 LED 现实屏的研究也越来越深，同时，人们的生活水平也越来越高，这样，也对 LED 方面就提出了更高的要求。用 LED 器件组成电子显示屏，不但色彩绚丽而且其制作尺寸几乎
3、不受限制，可以达到几十甚至几百平方米以上，可应用于室内外各种公共场合显示文字、图形、图像、动画、视频图像等信息，具有较强的广告渲染力和震撼力，美化和丰富了人们的生活环境。传统 LED 显示系统的控制以单片机为核心，功能较为简单，当需要进行数据处理时，单片机的处理能力就更显不足，不能满足 LED 显示屏发展的需要。本文将介绍一种基于 ARM 和 CPLD 控制平台的 LED 全彩色显示屏控制系统。论文首先介绍了LED 显示技术和系现实原理，然后从硬件和软件两个方面，分别详细介绍了系统硬件的设计和软件的设计，最终实现预期功能。第二章设计作用目的随着半导体技术的进一步发展及大规模集成电路的广泛应用，
4、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 核的新一代 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。基于以上优点，本文将采用 ARM 和 CPLD 相结合的方法来共同完成 LED 彩3屏的显示系统设计，功能包括：1） 该显示屏控制器必须支持一般显示屏所需的与上位机实时通讯和全部显示功能，如左移、上
5、移、下移、左卷帘、右卷帘、左百叶窗、右百叶窗等功能。显示的内容包括实时时间、日期、汉字公告以及视频动画等。2） 实现上位机和下位机的通讯和同步，使其通过上位机对 LED 显示屏包括诸如显示内容、显示方式、中文图形字库和控制软件进行在线更新升级的远程控制。3） 按设定的显示效果显示图像(如:左右移动，上下移动，收缩显示，雪花显示，单字显示等)，可以设定并显示时间(年/月/日，时/分/秒)，可以显示环境温度，能够向 LED 屏发出色彩和灰度控制信号及行列控制信号等。4） 实现对彩色 LED 的亮度、灰度的控制和调节。第三章 LED 显示屏的工作原理3.1 LED 工作原理3.1.1 LED 发光的
6、基本原理发光二极管(Lighting Emitting Diode)，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流如图 1 所示通过它的时候，可以产生可视的光。4图 1 二极管工作原理发光二极管的结构主要由 PN 结芯片、电极和光学系统构成。我们知道，发光是一种能量转化现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态;当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在 PN 结上加以正向电压之后，P 区的空穴注入至 N 区，N 区的电子注入至 P 区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是
7、自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。3.2 LED 器件的驱动原理从 LED 器件的特性可知道，当向 LED 器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此 LED 的驱动就是如何使它的 PN 结处于正偏置，而且为了控制(调节)它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等。3.2.1 直流驱动直流驱动是最简单的驱动方法，就是通过稳定电源，经限流电阻为发光二极管 LED 提供电流的方法。连接时令 LED 的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。这种驱动方式虽然简单，但是不能在
8、 LED 显示屏上使用。这是由于 LED正向特性陡峭，加上元件参数的分散性，即使相同的电源，相同的限流电阻，每个 LED 的正向电流也不尽相同，导致 LED 器件的发光强度不同，亮度不均，而且这种方法不易调节每个 LED 器件的亮度，所以无法标识图像信息。3.2.2 恒流驱动恒流驱动基本上克服了器件分散性的影响。由于三极管的输出特性具有恒流性质，所以可以采用晶体管驱动 LED。LED 的导通电流，与 LED 无关，取决于外参数。LED 管得正向电流是:If=Ic=Ie=(Vb-Vbe)/Re5其中，Vb 为外加基极电压，Vbe 为基极一发射极电压。由于三极管 Vbe 的分散性比放大倍数 的分散
9、性要小，所以各 LED 器件的正向电流在其 Vb 与 Re 相同的情况下，基本上可以保证是一致的。3.2.3 脉冲驱动利用人眼的视觉暂留特性，采用向比 D 器件重复通断供电的方法使之点燃，就是通常所说的脉冲方式。采用这种方式时应该注意两个问题:脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值 h 就应该与直流驱动的电流值相同。如图 2 所示，平均电流 Ia 是瞬时电流i 的时间积分。电阻 I T Ton Toff IfIut 脉冲电源电阻图 2 LED 脉冲驱动电流其中 ton/T 就是占空比的一种描述，为了使脉冲驱动方式下的平均电流 I，与
10、直流驱动电流工。相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足 IF=(T/Ton)Ia=(T/Ton) I可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大 T/Ton 倍。其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性的分析，己经知道脉冲重复频率必须高24HZ，否则会产生闪烁现象。脉冲驱动的主要应用有两个方面:扫描驱动和占空比驱动。3.2.4 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。比6D 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 LE
11、D 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。本课题采用按行扫描按列控制的方式。图 3 所示为一个 m 行 n 列结构的 LED 显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从 H1 到枷轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的 LED 器件接通正电源，但具体哪一个 LED 导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作。例如在 LED 显示屏上需要 LEDll 熄灭，LED21 点亮，那么当扫描到 Hl 行时，L1 列的电位就应该为高;当扫描到 H2 行时，L1 列的电位就应该为低。图 3 行扫描列控制原理级波
12、形图3.3 LED 显示技术的基本原理3.3.1 灰度扫描的实现灰度扫描实现的关键在于产生由“0”和“1”组成的串行数据流。从图像处理模块输出的数据信息为并行数据，它包括图像分离的 R、G、B 三基色数据。但这些数据不能直接用于 LED 扫描显示，必须经过时序译码，才能转换为含有灰度信息的7由“0”和“1”组成的编码序列，以供扫描显示使用。在高速动态显示时，LED 的发光亮度与其在扫描周期内的发光时间成正比，所以灰度等级的实现由控制 LED 的发光时间与扫描周期的比值（即占空比）的办法来实现。假设每帧周期为 S，采用8 行扫描方式，则每行总选通时间为 S/8。将每周期内 LED 的总发光时间依
13、次调节为0、1S（/816） 、2S（/816）、15S/（816） ，这样就将 LED 的发光时间分为 16 个等级，即实现了 16 级灰度。3.3.2 信息刷新原理根据实现数据刷新的原理不同，LED 显示屏刷新方式可分为锁存型和扫描型两种类型。1、锁存型锁存型指显示屏上每一个 LED 都对应于一个驱动寄存器，即驱动器不需要时分工作，每一个 LED 的亮度占空比均为 100%。这样避免了 LED 在超额电流状态下工作。过去使用常规驱动 IC，设计非常复杂而且成本较高。现在超大规模 LED 功能驱动 IC出现后，不但设计简单，成本也大幅度降低。室外屏大多为锁存型。2、扫描型扫描型指显示屏上 4
14、 行、8 行或 16 行 LED 共用一个驱动寄存器，常称为 4 循环、8 循环或 16 循环。在这种系统中，屏幕灰度信息的刷新是靠驱动寄存器时分工作实现的。只要屏幕的刷新频率在 50Hz 以上，人眼就不会感到闪烁。因为驱动寄存器的时分工作，使每一个 LED 的亮度占空比减小，所以导致 LED 亮度降低。为了提高显示屏亮度往往使 LED 在超额电流状态下工作。扫描型驱动电路设计比较简单、成本低，较多应用于室内显示屏的设计。3.3.3 扫描控制电路总体说明因为 LED 大屏幕显示是高速连续进行的，特别在播放视频信号时，不但要求实时完成图像的高速扫描，还要接收新的数据，以便更新屏幕。这就要求系统中
15、必须要有高速数据缓存处理电路，以防止在扫描过程中丢失数据。所以本系统中 LED 大屏幕显示的高速数据缓存模块采取双总线结构的存储电路。如图 4 所示，A、B 两组帧存储器分别交替工作于图像高速扫描和图像数据接收缓存两种方式。当 A 帧存储器用于图像的扫描时，B 帧存储器用于图像数据接收和缓存；反之，当 A 帧存储器8用于图像的接收和缓存时，B 帧存储器用于图像的扫描显示。从显示控制模块传来的数据为并行数据，而 LED 显示屏所需的是含有像素点灰度信息的串行数据流。这就要求有灰度译码，将 4bit 并行数据转换为 16 个有灰度信息的串行数据序列。由于 A、B 两组存储器交替使用，要求在接收一帧
16、并行数据的时间内把译码后的 16bit 串行数据流送往 LED 屏。串行数据流速率是并行数据速率的 16 倍，所以系统选用高速静态 SRAM 以满足要求。图 4 双总线结构的主从扫描存储原理3.3.4 彩色显示屏的 校正几乎所有的 CRT 显示设备、摄影胶片和许多电子照相机的光电转换特性都是非线性的。但这些非线性部件都有一个能够反映各自特性的幂函数，它的一般形式是：y= 输出nxn输 入式中的 （gamma）是幂函数的指数，它用来衡量非线性部件的转换特性。这种特性称为幂-律（power-law）转换特性。按照惯例， “输入”和“输出”都缩放到 01 之间。其中，0 表示黑电平，1 表示颜色分量
17、的最高电平。对于特定的部件，9人们可以度量它的输入与输出之间的函数关系，从而找出 值。实际的图像系统是由多个部件组成的，这些部件中可能会有几个非线性部件。如果所有部件都有幂函数的转换特性，那么整个系统的传递函数就是一个幂函数，它的指数 等于所有单个部件的 的乘积。如果图像系统的整个 1，输出与输入就成线性关系。这就意味在重现图像中任何两个图像区域的强度之比率与原始场景的两个区域的强度之比率相同，这似乎是图像系统所追求的目标：真实地再现原始场景。但实际情况却不完全是这样。 当这种再生图像在“明亮环境”下，也就是在其他白色物体的亮度与图像中白色部分的亮度几乎相同的环境下观看时，1 的系统的确可使图
18、像看起来像“原始场景”一样。但是某些图像有时在“黑暗环境”下观看所获得的效果会更好，放映电影和投影幻灯片就属于这种情况。在这种情况下， 值不是等于 1 而通常认为1.5，人的视角系统所看到的场景就好像是“原始场景” 。根据这种观点，投影幻灯片的 值就设计为 1.5 左右，而不是 1。还有一种环境称为中间环境的“暗淡环境” ，这种环境就像房间中的其他东西能够看到，但比图像中白色部分的亮度更暗。看电视的环境和计算机房的环境就属于这种情况。在这种情况下，通常认为再现图像需要 1.25 才能看起来像“原始场景” 。所有 CRT 显示设备都有幂-律转换特性，如果生产厂家不加说明，那么它的 值大约等于 2
19、.5。用户对发光的磷光材料的特性可能无能为力去改变，因而也很难改变它的 值。为使整个系统的 值接近于使用所要求的 值，起码就要有一个能够提供 校正的非线性部件，用来补偿 CRT 的非线性特性。在所有广播电视系统中， 校正是在摄像机中完成的。最初的 NTSC 电视标准需要摄像机具有1/2.20.45 的幂函数，现在采纳 0.5 的幂函数。PAL 和 SECAM 电视标准指定摄像机需要具有 1/2.50.4 的幂函数，但这个数值已显得太小，因此实际的摄像机很可能会设置成 0.45 或者 0.5。使用这种摄像机得到的图像就预先做了校正，在 2.5 的 CRT 屏幕上显示图像时，屏幕图像相对于原始场景的 大约等于 1.25。这个值适合“暗淡环境”下观看。过去的时代是“模拟时代” ，而今已进入“数字时代” ，进入计算机的电视图像依然带有 0.5 的校正。虽然带有 值的电视在数字时代工作得很好，尤其是在
