基于ARM的大型LED點陣顯示系統(tǒng)的設計

摘　要: 介紹一種基于ARM的大型LED點陣顯示系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)使用ARM芯片內(nèi)部的DMA控制器進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制，節(jié)省了處理器取指和譯指時間，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?br />
大型LED 顯示系統(tǒng)是隨著計算機及相關(guān)微電子、光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展而形成的一種電子廣告媒體，它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點陣模塊或像素單元組成大面積顯示屏幕，主要用于顯示字符、圖像等信息。它采用低電壓掃描驅(qū)動，具有: 耗電少、壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠等優(yōu)點。隨著LED材料技術(shù)和工藝的提升,大型LED顯示系統(tǒng)以突出的優(yōu)勢成為平板顯示的主流產(chǎn)品之一，廣泛應用在如證券交易，機場航班,港口，車站等場合，在信息顯示領(lǐng)域得到廣泛應用。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

大型LED顯示系統(tǒng)一般分為顯示驅(qū)動模塊和主控板兩部分。

1.1　顯示模塊

大型LED顯示系統(tǒng)是利用人眼視覺特點采用逐行掃描和列驅(qū)動方式以節(jié)省硬件開支，本系統(tǒng)采用1 /16逐行掃描方式，所以整個顯示屏被分為16 行同名行，顯示模塊原理圖如圖1所示。

顯示模塊原理圖

圖1　顯示模塊原理圖。

每個顯示模塊為1個64 ×32的小點陣屏，分為兩部分，上下各16 行，每部分有8 組列數(shù)據(jù)鎖存器。上下兩部分復用1個4～16譯碼器U3，選通驅(qū)動1 /16逐行掃描顯示，并需要16組列驅(qū)動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,需要1個4～16譯碼器U2選通使能列鎖存器。在點陣數(shù)據(jù)刷新時，需要使用兩級鎖存器鎖存列顯示數(shù)據(jù)，否則會出現(xiàn)顯示拖尾現(xiàn)象。本次正在顯示的數(shù)據(jù)存在第二級鎖存器中，主控板對屏端第一級鎖存器寫下一行要顯示的數(shù)據(jù)進行列數(shù)據(jù)刷新，當下一行要顯示的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，一起鎖存到第二級鎖存器輸出并選通驅(qū)動下一行顯示。采用并行總線方式下二級鎖存器仍比數(shù)據(jù)串行傳輸再轉(zhuǎn)成并行輸出的方案經(jīng)濟。

顯示模塊與模塊之間橫向級聯(lián)時，運用錯位級聯(lián)的思想，使其具有良好的通用性和可嵌入性。選通線每到一級時就會錯位一次并傳到下一級，總是使第一根選通線BLK_EN0作第一級列鎖存器譯碼器的使能控制線，n根選通線就能依次選通n級橫向級聯(lián)模塊，這樣就可以用相同的顯示模塊任意組合成橫向級聯(lián)的條屏。

運用錯位級聯(lián)思想，使橫向級聯(lián)的顯示模塊上的第一級鎖存器的譯碼器U2 能夠依次選通，該譯碼器又能依次選通第一級列數(shù)據(jù)鎖存器，這樣橫向級聯(lián)屏上的第一級列數(shù)據(jù)鎖存器就能看成一段連續(xù)的存儲單元，這是使用DMA 并行數(shù)據(jù)傳輸控制的基礎(chǔ)。[!--empirenews.page--]

1.2　主控電路與LED屏的接口設計

本顯示系統(tǒng)選用基于ARM7TDM I內(nèi)核并帶有內(nèi)部DMA控制器的S3C44B0X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)的存儲單元，故為其分配地址空間0x2000000～0x4000000。

主控板與LED屏接口電路原理圖如圖2所示。

一個大型LED顯示屏的結(jié)構(gòu)可分為縱向級聯(lián)和橫向級聯(lián)，這種結(jié)構(gòu)類似于一個三維數(shù)組。假設一個三維數(shù)組LED [ i ] [ j] [ k ] ，其中:

i = 0，1，2，……，m 表示LED屏縱向級聯(lián)級的序號。

j = 0，1，2，……，n 表示LED屏橫向級聯(lián)級的序號。

k = 0，1，2，……，16 表示顯示模塊上16 個第一級列數(shù)據(jù)鎖存器的序號。

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)的存儲單元，故使用A [ 4∶1 ]

作顯示模塊上選通第一級列數(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 ] 作選通橫向級聯(lián)顯示模塊的譯碼器(圖2中U14) 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)要求點陣碼存放順序的技術(shù)要求，縱向級聯(lián)級選通不滿足使用地址總線譯碼選通的條件,所以使用 S3C44B0X的PG [ 2∶0 ] 作縱向級聯(lián)級選通譯碼器的譯碼輸入，即三維數(shù)組的i變量。

主控板與LED顯示屏接口電路原理圖

圖2　主控板與LED顯示屏接口電路原理圖。[!--empirenews.page--]

由于地址和數(shù)據(jù)總線上的狀態(tài)不斷變化，所以在對LED屏進行寫操作時，地址和數(shù)據(jù)信號應進行鎖存，主控板上分別使用U2、U3和U4鎖存對 LED寫操作時的地址和數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。LED屏分配首址為0x2000000，當對其進行寫操作時，S3C44B0X的nGCSl和nWE腳會出現(xiàn)可編程控制時延的有效低電平。nGCSl經(jīng)一個非門作U2、U3和U4的鎖存使能控制信號，保證僅在對LED屏訪問時，地址和數(shù)據(jù)總線上的信號才被鎖存。 nWE經(jīng)一個非門作屏端第一級列數(shù)據(jù)鎖存器(圖1中U4～U19) 的鎖存使能控制信號，保證只有當刷新數(shù)據(jù)穩(wěn)定出現(xiàn)在列數(shù)據(jù)鎖存其輸入端時才被鎖存。S3C44B0X的PC I0作所有屏端第二級鎖存器(圖1中U20～U35) 的鎖存使能控制信號線; S3C44BOX的PC [ 3∶0 ] 作16行驅(qū)動譯碼器(圖1中U3) 的譯碼輸入。由于數(shù)據(jù)傳輸時只需要主控板對LED屏輸出控制，不需要信號反饋，所以接口電路采用廉價的5V供電的HCT電路芯片方案，就可滿足主控芯片313V到LED屏5V的邏輯電平轉(zhuǎn)換。

在DMA傳輸數(shù)據(jù)時，更關(guān)心的是DMA的寫操作，時序如圖3所示。t1時刻DMA寫操作開始，地址和數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn)LED屏相應位置的地址和刷新數(shù)據(jù); t2時刻nGCS1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。

DMA的寫操作時序圖

圖3　DMA的寫操作時序圖。

2　軟件設計

2.1　LED屏顯示程序設計

由于使用了S3C44B0X內(nèi)部DMA控制器進行數(shù)據(jù)的傳輸與控制，顯示程序得到很大簡化，程序流程如圖4所示。點陣碼的傳輸全由DMA 控制器完成，只需在啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸前將點陣碼的首址、LED屏的首址及傳輸數(shù)據(jù)量的值分別賦給相應的控制字后，啟動DMA 操作即可。完成所有本同名行點陣碼傳輸后，將刷新的數(shù)據(jù)鎖存到第二級列數(shù)據(jù)鎖存器輸出，并驅(qū)動本同名行顯示。這樣循環(huán)顯示16行同名行后就完成了一幀點陣顯示。
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顯示程序流程圖

圖4　顯示程序流程圖。

2.2　點陣排序

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)，在顯示時點陣碼的排放順序，需要滿足如下要求:

(1) 16 位并行總線一次數(shù)據(jù)傳輸，即一次DMA寫操作傳輸兩個字節(jié)的點陣碼，低位和高位字節(jié)分別傳送到兩相鄰的縱向級聯(lián)模塊的同名行和同名列數(shù)據(jù)鎖存器中，因此相鄰的縱向級聯(lián)模塊的同名行和同名列點陣碼應連續(xù)存放。

(2) 由于顯示模塊的第一級列數(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，對同一顯示模塊的上下兩部分的同名行點陣應按列數(shù)據(jù)鎖存器的選通順序依次連續(xù)存放。

(3) 兩相鄰的縱向級聯(lián)級的一系列橫向級聯(lián)級應按(1) 和(2) 原則進行點陣碼排序。

(4) 各縱向級聯(lián)級依次按(1) 、(2) 、(3) 原則進行點陣碼排序。

(5) 16行掃描顯示方式下，一個大型LED 屏分為16 行同名行，每一同名行按照( 1) 、( 2) 、(3) 、(4) 原則進行點陣排序。

以一個128 ×64的點陣屏第一行同名行的數(shù)據(jù)排序為例，如圖5所示，第一行同名行的點陣碼的存放順序應依次為: a，b，……z，A，B，……Z，……。

128 ×64點陣屏第一行同名行的數(shù)據(jù)排序圖

圖5　128 ×64點陣屏第一行同名行的數(shù)據(jù)排序圖。

3　結(jié)論

使用并行總線DMA 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)簡化了LED顯示系統(tǒng)的軟硬件設計，降低了系統(tǒng)成本，取得了很好的顯示質(zhì)量，在2211184MHz的系統(tǒng)時鐘下,512 ×256 (8m2 ) 單色點陣屏顯示幀頻達到250Hz,平均120ns傳送1個字節(jié)，達到了使用單CPU系統(tǒng)代替多機系統(tǒng)控制LED顯示系統(tǒng)的目的。但為了使上一代的顯示驅(qū)動板仍能夠使用，點陣碼需要排序,顯示時只能使用頁面方式顯示，這樣在多頁動態(tài)滾屏顯示時需要大容量的存儲器。對于512 ×256單色點陣屏需要數(shù)十兆的容量，使用32 位ARM7TDMl內(nèi)核先進控制器S3C44B0X和廉價的大容量SDRAM存儲器可以使該問題得到很好的解決。若使用針對DMA控制顯示設計的顯示驅(qū)動板顯示時，點陣碼就不需要排序，一片數(shù)百KB 的SRAM就能滿足系統(tǒng)要求了。