基于S3C4480X的大型LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：介紹基于S3C44Box控制的大型LED顯示系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸采用并行總線方式，并提出將LED顯示模塊廈顯示鎖存單元虛擬地視為一段連續(xù)的存儲(chǔ)單元，利用S3C4480X內(nèi)部DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，節(jié)省使用指令傳輸數(shù)據(jù)額外的軟件開銷，使其具有傳輸速度快、效率高的特點(diǎn)，以達(dá)到用單CPU系統(tǒng)代替多機(jī)系統(tǒng)控制LED顯示系統(tǒng)的目的。 
關(guān)鍵詞：ARM7TDMI S3C44BOX DMA LED顯示系統(tǒng) 并行總線傳輸 

     大型LED顯示系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)外場(chǎng)合，但由于其多采用多機(jī)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)成本和軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度。多機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)高總線寬度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其技術(shù)難點(diǎn)如下：

◆大型LED顯示屏上的像素?cái)?shù)以萬計(jì)，隨著顯示面積增大，電路結(jié)構(gòu)隨之增大。
◆為了保證一定的顯示質(zhì)量，幀頻應(yīng)在30幀／s以上。對(duì)于一個(gè)512×252的單色LED屏，每秒的數(shù)據(jù)傳輸量至少為480 KB以上，對(duì)于彩屏及顯示質(zhì)量高的場(chǎng)合，數(shù)據(jù)傳輸量還將按整數(shù)倍增長(zhǎng)。
◆當(dāng)LED屏位于室外時(shí)，上下位機(jī)通信可能在百米甚至千米以上，要求通信速度快且可靠。鑒于上述前兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，為能夠使用單CPU系統(tǒng)代替多機(jī)系統(tǒng)控制大型LED顯示系統(tǒng)，采取的應(yīng)對(duì)策略
如下：
◆大型的LED屏由通用的顯示模塊組成，顯示模塊具有良好的通用性和可嵌人性。

◆使用16位并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式，要顯示相應(yīng)位置的顯示模塊，模塊上的列鎖存單元能夠準(zhǔn)確選通，使橫向級(jí)聯(lián)的LED顯示模塊能夠被視為一段連續(xù)的存儲(chǔ)單元。
◆使用S3C44BOX內(nèi)部的DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制，節(jié)省了使用指令傳輸數(shù)據(jù)的CPU取指和譯指時(shí)間以及使用指令傳輸數(shù)據(jù)附帶的計(jì)數(shù)、比較、跳轉(zhuǎn)等軟件開銷，從而能夠在連續(xù)的讀寫操作中完成數(shù)據(jù)的傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群托省?

1 硬件結(jié)構(gòu)及原理 

     大型LED顯示系統(tǒng)一般分為主控板和顯示驅(qū)動(dòng)模塊兩部分。

1.1 顯示模塊 

     現(xiàn)今，大型LED顯示系統(tǒng)是利用人眼視覺特點(diǎn)采用逐行掃描和列驅(qū)動(dòng)方式以節(jié)省硬件開支的，本系統(tǒng)采用1／16逐行掃描方式，所以整個(gè)大型LED屏被分為16行同名行，顯示模塊原理圖如圖1所示。 
          
     每個(gè)顯示模塊為1個(gè)64×32的小點(diǎn)陣屏，分為兩部分，上下各16行，每部分有8組列數(shù)據(jù)鎖存器。上下兩部分復(fù)用1個(gè)4一16譯碼器U1，選通驅(qū)動(dòng)1／16逐行掃描顯示，并需要16組列驅(qū)動(dòng)鎖存器鎖存列顯示數(shù)據(jù)。采用并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式時(shí)，需要1個(gè)4-16譯碼器U2選通使能列鎖存器。在點(diǎn)陣刷新時(shí)，需要使用兩級(jí)鎖存器鎖存列顯示數(shù)據(jù)，否則會(huì)出現(xiàn)顯示拖尾現(xiàn)象。本次正在顯示的數(shù)據(jù)存在第二級(jí)鎖存器中，主控板對(duì)屏端第一級(jí)鎖存器寫下一行要顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行列數(shù)據(jù)刷新，當(dāng)下一行要顯示的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，一起鎖存到第二級(jí)鎖存器輸出并選通驅(qū)動(dòng)下一行顯示。采用并行總線方式下二級(jí)鎖存器仍比數(shù)據(jù)串行傳輸再轉(zhuǎn)成并行輸出的方案經(jīng)濟(jì)。 

     顯示模塊與模塊之間橫向級(jí)聯(lián)時(shí)，運(yùn)用錯(cuò)位級(jí)聯(lián)的思想，使其具有良好的通用性和可嵌入性。如圖l所示，選通線每到一級(jí)時(shí)就會(huì)錯(cuò)位一次并傳到下一級(jí)，總是使第一根選通線BLK_ENO作第一級(jí)列鎖存器譯碼器的使能控制線，這樣n根選通線就能依次選通n級(jí)橫向級(jí)聯(lián)模塊。這樣就可以用相同的顯示模塊任意組合成橫向級(jí)聯(lián)的條屏。 

     運(yùn)用錯(cuò)位級(jí)聯(lián)思想，使橫向級(jí)聯(lián)的顯示模塊上的第一級(jí)鎖存器的譯碼器U2能夠依次選通，該譯碼器又能依次選通第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器，這樣橫向級(jí)聯(lián)屏上的第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器就能看成一段連續(xù)的存儲(chǔ)單元，這是使用DMA并行數(shù)據(jù)傳輸控制的基礎(chǔ)。

1.2 主控電路與LED屏的接口設(shè)計(jì) 

     本顯示系統(tǒng)選用基于ARM7TDMI內(nèi)核并帶有內(nèi)部DMA控制器的S3C44BOX作主控制器，使其工作在ARM狀態(tài)，并使用16位總線。由于把LED屏虛擬的視為一段連續(xù)的存儲(chǔ)單元，故為其分配地址空間0x2000000～Ox4000000。

    主控電路與I。ED屏接口應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：
◆選通任意位置的顯示模塊及該模塊上的第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器。將該位置要顯示的點(diǎn)陣碼準(zhǔn)確鎖存，并能在第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器數(shù)據(jù)刷新后，將刷新數(shù)據(jù)鎖存到第二級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器并輸出。
◆能控制選通驅(qū)動(dòng)16行同名行中的一行進(jìn)行逐行掃描顯示。
◆實(shí)現(xiàn)主控芯片3．3 V到LED屏5 V的邏輯電平轉(zhuǎn)換。

        主控板與LED屏接口電路原理圖如圖2所示。  
      
     一個(gè)大型LED屏的結(jié)構(gòu)可分為縱向級(jí)聯(lián)和橫向級(jí)聯(lián)，這種結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)三維數(shù)組。假設(shè)一個(gè)三維數(shù)組LED[i][j][k]其中：  
        i=O，1，2…，m表示LED屏縱向級(jí)聯(lián)級(jí)的序號(hào)。
        j=O，l，2…n 表示LED屏橫向級(jí)聯(lián)級(jí)的序號(hào)。
        k=O，1，2…．，16 表示顯示模塊上16個(gè)第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器的序號(hào)。 

     由于系統(tǒng)使用16位并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式，并將LED屏視為一段連續(xù)的存儲(chǔ)單元，故使用A[4：1]作顯示模塊上選通第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器譯碼器(圖1中u2)的譯碼輸入，即為三維數(shù)組的k變量；使用A[8：5]作選通橫向級(jí)聯(lián)顯示模塊的譯碼器(圖2中U7)譯碼輸入，即為三維數(shù)組的j變量；由于LED屏要具有良好的靈活性，又由于采用DMA傳輸數(shù)據(jù)要求點(diǎn)陣碼存放順序的技術(shù)要求，縱向級(jí)聯(lián)級(jí)選通不滿足使用地址總線譯碼選通的條件，所以使用S3C44BOX的PG[2：0]作縱向級(jí)聯(lián)級(jí)選通譯碼器的譯碼輸人，即三維數(shù)組的i變量。 

     由于地址和數(shù)據(jù)總線上的狀態(tài)不斷變化，所以在對(duì)LED屏進(jìn)行寫操作時(shí)，地址和數(shù)據(jù)信號(hào)應(yīng)進(jìn)行鎖存，主控板上分別使用U2、U3和U4鎖存對(duì)LED寫操作時(shí)的地址和數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。LED屏分配首址為0x2000000，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行寫操作時(shí)，S3C44BOX的nGCSl和nWE腳會(huì)出現(xiàn)可編程控制時(shí)延的有效低電平。nGCSl經(jīng)一個(gè)非門作U2、U3和U4的鎖存使能控制信號(hào)，保證僅在對(duì)LED屏訪問時(shí)，地址和數(shù)據(jù)總線上的信號(hào)才被鎖存。nWE經(jīng)一個(gè)非門作屏端第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器(圖1中U3～U19)的鎖存使能控制信號(hào)，保證只有當(dāng)刷新數(shù)據(jù)穩(wěn)定出現(xiàn)在列數(shù)據(jù)鎖存其輸入端時(shí)才被鎖存。S3C44BOX的PCl0作所有屏端第二級(jí)鎖存器(圖l中U20～U35)的鎖存使能控制信號(hào)線；S3C44BOX的PC[3：O]作16行驅(qū)動(dòng)譯碼器(圖l中U1)的譯碼輸入。由于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)只需要主控板對(duì)LED屏輸出控制，不需要信號(hào)反饋，所以接口電路采用廉價(jià)的5 V供電的HCT電路芯片方案，就可滿足主控芯片3．3 V到LED屏5 V的邏輯電平轉(zhuǎn)換。 

     在DMA傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，更關(guān)心的是DMA的寫操作，時(shí)序如圖3所示。t1時(shí)刻DMA寫操作開始，地址和數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn)I，ED屏相應(yīng)位置的地址和刷新數(shù)據(jù)；t2時(shí)刻nGCSl引腳出現(xiàn)有效低電平，地址和數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被鎖存到U2～U4并輸出；t3時(shí)刻nWE引腳出現(xiàn)有效低電平，u2～u4的輸出數(shù)據(jù)被鎖存到屏端第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器并輸出。這樣主控制器就完成了一次列數(shù)據(jù)的刷新。 
                
2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 LED屏顯示程序設(shè)計(jì)

     由于使用了S3C4480X內(nèi)部DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與控制，顯示程序得到很大簡(jiǎn)化，程序流程如圖4所示。點(diǎn)陣碼的傳輸全由DMA控制器完成，只需在啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳輸前將點(diǎn)陣碼的首址、LED屏的首址及傳輸數(shù)據(jù)量的值分別賦給相應(yīng)的控制字后，啟動(dòng)DMA操作即可。完成所有本同名行點(diǎn)陣碼傳輸后，將刷新的數(shù)據(jù)鎖存到第二級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器輸出，并驅(qū)動(dòng)本同名行顯示。這樣循環(huán)顯示16行同名行后就完成了一幀點(diǎn)陣顯示。 
        
2.2 點(diǎn)陣排序 

     由于LED顯示模塊的電路結(jié)構(gòu)以及使用了16位并行總線和DMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在顯示時(shí)點(diǎn)陣碼的排放順序，需要滿足如下要求：

①16位并行總線一次數(shù)據(jù)傳輸，即一次DMA寫操作傳輸兩個(gè)字節(jié)的點(diǎn)陣碼，低位和高位字節(jié)分別傳送到兩相鄰的縱向級(jí)聯(lián)模塊的同名行和同名列數(shù)據(jù)鎖存器中，因此相鄰的縱向級(jí)聯(lián)模塊的同名行和同名列點(diǎn)陣碼應(yīng)連續(xù)存放。
②由于顯示模塊的第一級(jí)列數(shù)據(jù)鎖存器譯碼選通電路結(jié)構(gòu)和DMA數(shù)據(jù)傳輸要求，對(duì)同一顯示模塊的上下兩部分的同名行點(diǎn)陣應(yīng)按列數(shù)據(jù)鎖存器的選通順序依次連
續(xù)存放。
③兩相鄰的縱向級(jí)聯(lián)級(jí)的一系列橫向級(jí)聯(lián)級(jí)應(yīng)按①和⑦原呵¨講行點(diǎn)陣碼排序．
④各縱向級(jí)聯(lián)級(jí)依次按①、②、③原則進(jìn)行點(diǎn)陣碼排序。
⑤16行掃描顯示方式下，一個(gè)大型LED屏分為16行同名行，每一同名行按照①、②、③、④原則進(jìn)行點(diǎn)陣排序。 

     以一個(gè)128×64的點(diǎn)陣屏第一行同名行的數(shù)據(jù)排序?yàn)槔?，如圖5所示，第一行同名行的點(diǎn)陣碼的存放順序應(yīng)依次為：a，b……z，A，B，……z……。 
        
3 結(jié) 論 

     使用并行總線DMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)簡(jiǎn)化了LED顯示系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本，取得了很好的顯示質(zhì)量，在22．1184 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下，512×256(8 m2)單色點(diǎn)陣屏顯示幀頻達(dá)到250 Hz，平均120 ns傳送1個(gè)字節(jié)，達(dá)到了使用單CPU系統(tǒng)代替多機(jī)系統(tǒng)控制LED顯示系統(tǒng)的目的。但為了使上一代的顯示驅(qū)動(dòng)板仍能夠使用，點(diǎn)陣碼需要排序，顯示時(shí)只能使用頁面方式顯示，這樣在多頁動(dòng)態(tài)滾屏顯示時(shí)需要大容量的存儲(chǔ)器。對(duì)于512×256單色點(diǎn)陣屏需要數(shù)十M的容量，使用32位ARM7TDMl內(nèi)核先進(jìn)控制器S3C44BOX和廉價(jià)的大容量SDRAM存儲(chǔ)器可以使該問題得到很好的解決。若使用針對(duì)DMA控制顯示設(shè)計(jì)的顯示驅(qū)動(dòng)板顯示時(shí)，點(diǎn)陣碼就不需要排序，一片數(shù)百KB的SRAM就能滿足系統(tǒng)要求了。