ARM在LED顯示控制系統(tǒng)中的應用與設計

王麗萍 周珍艮

（光電子應用安徽省工程技術研究中心，安徽 銅陵 244000）

ARM在LED顯示控制系統(tǒng)中的應用與設計

王麗萍 周珍艮

（光電子應用安徽省工程技術研究中心，安徽 銅陵 244000）

基于ARM（S3C44B0）嵌入式處理器提出一種采用CPLD技術開發(fā)LED顯示控制系統(tǒng)的設計。應用CPLD實現(xiàn)ARM（S3C44B0）中LCD與LED顯示系統(tǒng)的轉接，使LED具有強大的數據處理和實時顯示功能。文章重點討論了控制系統(tǒng)的軟硬件和邏輯設計的設計方案，在實際應用中具有一定的參考價值。

LED控制系統(tǒng)；ARM；CPLD；LED

近年來，LED顯示系統(tǒng)在信息顯示領域得到了廣泛的應用。北京奧運會、上海世博會上LED彩屏風采盡顯；大型歌舞晚會LED背景墻以其色彩鮮艷、動態(tài)逼真，給予人們視覺享受無限；LED電視也即將進入百姓家庭，形成具有相當發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸怆娮赢a業(yè)。

LED顯示技術涵蓋了微機控制、視頻、光學、機械和數字圖像處理等多種技術，是計算機技術與信息處理技術相結合的綜合電子信息技術。LED彩屏特別是視頻顯示系統(tǒng)要實現(xiàn)系統(tǒng)圖像快速顯示，需要對紅、綠、藍LED進行灰度調節(jié)。如果三色都能實現(xiàn)8位灰度可調，就可以形成256*256*256共168萬種顏色?？刂芁ED的灰度主要是采用占空比法，將顯示一幀的時間分為8個不相等時間長度子幀，8位共有256個灰度等級。如此復雜的時序邏輯功能和龐大地、高速的數據處理，只能由大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)，使用ARM+CPLD技術，能夠完成LED顯示系統(tǒng)的數據傳輸控制、灰度控制，系統(tǒng)控制等系統(tǒng)功能，設計開發(fā)難度不大，產品應用靈活性較強。

一、LED顯示控制系統(tǒng)工作原理

數據的采集和處理利用專門的模塊來完成，把它與顯示控制模塊分開，不使用CPLD來完成這個部分的工作。因為網絡的應用已經有比較成熟的技術和器件，利用Intemet網絡傳輸數據可以很好地解決數據的傳輸問題。不必要再花費專門的時間開發(fā)數據的采集和傳輸控制模塊，這對于縮短產品開發(fā)周期是極其有利的。

圖1工作原理框圖

圖1是系統(tǒng)工作原理框圖。整個控制系統(tǒng)是以ARM微處理器為核心的一個小型計算機結構[1]。該控制系統(tǒng)采用大容量閃速存儲器和通信模塊實現(xiàn)數據的存儲和更新，并在控制上配備CPLD來分擔ARM微處理器的壓力，以達到全彩LED顯示屏的高灰度級、高復雜性特技和高速度、大容量數據傳輸的顯示要求。

二、基于S3C44B0（ARM7TDMI）的LED顯示系統(tǒng)的硬件設計

1.設計目標：本文研究的主要目標是實現(xiàn)小型的、可脫機播放的彩色視頻系統(tǒng)，根據LED顯示屏的工作原理以及視頻系統(tǒng)的主要功能和技術指標，歸納出以下主要幾點:

（1）LED顯示屏的分辨率:128行x256列

（2）LED顯示屏的刷新率:7OHz

（3）實現(xiàn)灰度顯示，灰度級為256級

（4）LED 顯示屏的基色:R(紅)、G(綠)、B(藍)

（5）系統(tǒng)控制器必須支持一般顯示屏所需的與上位機實時通訊和全部顯示功能。

2.系統(tǒng)的主要硬件設計

圖2主要硬件設計

（1）嵌入式微處理器的選擇

本系統(tǒng)選用的S3C44B0是基于ARM公司ARM7TDMI內核、0.25μmCOMS標準單元和存儲器開發(fā)的16/32位RISC處理器，一般應用于提供高性價比和高性能的微控制器解決方案。S3C44B0X內含部件:8KB Cache、可選的內部SRAM、LCD控制器、2通道UART、4通道DMA、系統(tǒng)管理器(芯片選擇邏輯、FP/EDO/SDRAM控制器)、6通道帶PWM的定I/O口、RTC、8通道12位ADC、I2C/I2S總線接口SIO接口和成對時鐘PLL。

針對全彩LED顯示屏的各種功能需要，在本控制系統(tǒng)中擴展了 FLASH、SDRAM、8021 以太網卡、CF 卡、UART、JTAG調試接口、自動亮度控制等模塊，

在本系統(tǒng)中，充分利用了功能強大的S3C44B0X的內置LCD控制器，使用其256色雙行掃描模式，大大提升了系統(tǒng)的運行效率.。但是S3C44B0的LCD控制器輸出無法與LED屏幕控制器直接接口，因此，系統(tǒng)中使用CPLD作了LCD到LED的轉換。S3C44B0的GPIO口內部編碼以連接紅外接收器，解析各種命令、溫度和時間是LED屏幕經常包含的內容。選用DS18B20溫度傳感器采集溫度，并充分利用S3C44B0的內部實時時鐘(RTC)，減少了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)運行于60M主頻，程序存儲器選用16M byte FLASH 28F128芯片，同時在FLASH中保存系統(tǒng)設顯示的內容以及設置參數等；Boot程序被應用程序搬移到SDRAM區(qū)域運行大大提高了系統(tǒng)運行速度

（2）JTAG測試接口

JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調試。JTAG技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP(TestAccess Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內部節(jié)點進行測試。通過JTAG接口，可對芯片內部的所有部件進行訪問，JTAG接口還常用于實現(xiàn)在系統(tǒng)編程功能，如對FLASH器件進行編程等。S3C44B0專用ICE引腳TDI、TDO、TCK、和TMS實現(xiàn)了ARM7TDMI的ICE接口，為目標板仿真提供了一個完全的、低成本的調試方案。

（3）數據通信TCP/PI協(xié)議的獲取

利用嵌入式微處理器作為Intemet通訊的終端。嵌入式微處理器控制功能強大，可以運行嵌入式操作系統(tǒng)，實現(xiàn)TCP/IP，因此能夠很容易地實現(xiàn)Intemet數據通信。

市場上有很多的TCP/IP協(xié)議?？晒┻x擇，本系統(tǒng)選用lwIP，它結構清楚，占用存儲器空間小，這對于存儲資源比較緊張的微處理器來說是很有利的。

三、CPLD的選擇與應用

本系統(tǒng)的CPLD選擇了XC9572實現(xiàn)顯示數據的仲裁和掃描控制[2]。它具有很好的組合邏輯和時序邏輯功能，能夠完成LED顯示所需要的掃描控制信號。CPLD設計框圖如圖3所示，它主要包括以下幾個模塊：⑴時鐘進程:產生各種頻率的時鐘；⑵FIFO:CPLD與MCU之間的接口部分，用作數據緩沖，它使得MCU可以對顯存進行全速寫操作；⑶寫入地址及數據產生器:產生向顯存進行寫操作的地址和數據；⑷讀地址產生器：掃描方式不同，從顯存中讀取數據時的尋址方式也不同，讀地址產生器，可根據掃描方式的不同，產生不同的讀顯存的地址，從而完成1/16.1/8.1/4等掃描方式；⑸掃描控制電路：在不同的掃描方式下，根據從顯存中讀取的數據。產生相應的掃描控制信號；⑹讀寫切換電路：對顯存的讀寫狀態(tài)進行切換。

LED顯示屏的控制信號的連接如表1。在邏輯設計上，OE信號由S3C44B0的GPIO直接控制屏幕的亮和滅;；LATCH信號和A00、A01、A02由VILINE信號和VFRAME信號來控制產生(VFRAME用作同步A00、A01、A02到0)；這里主要是RGB信號的產生。如果S3C44B0的4位雙行掃描工作于256顏色模式，每3個VCLK產生的數據為D3D2D1（R1G1B1）、D0D3D2（R2G2B2）、D1D0D3（R3G3B3）、D2D1D0（R4G4B4），代表4個像素的RGB信息。因此，CPLD采樣時鐘選用25MHz，每采樣3組VCLK，輸出4組RGB信息，完成了從LCD到LED的轉換。圖3給出了由LCD到LED的時序邏輯圖。

表1 LED顯示屏控制信號接口

圖3 LCD到LED轉接的時序邏輯圖

四、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

uC/OS一11作為操作系統(tǒng)的內核，編寫應用程序比較簡單，主要的任務是完成多任務之間的調度和同步，并為設備驅動和系統(tǒng)服務程序提供信號量、消息隊列的服務[3]。因為內核需要實現(xiàn)時間延時和確認超時，所以還需要時鐘節(jié)拍（Tme Tikc)中斷服務程序為其服務。

本系統(tǒng)劃分的任務包括:灰度顯示、JPEG解碼、亮度控制、顯示模塊、時間/日期定時顯示、消息響應事件等任務。編寫好這些任務的代碼(包括系統(tǒng)服務的調用)和用到的中斷服務程序后，啟動操作系統(tǒng)則應用程序就開始運行。若要增添功能，只需增加相應任務和調用一定的系統(tǒng)服務即可。

五、結論

采用高性能的32位ARM微處理器替代傳統(tǒng)的單片機，在uC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)高效的多任務管理下設計的全彩LED顯示屏控制系統(tǒng)，具有更強大的功能和實時處理能力。采用基于ARM(S3C44B0)的LED顯示技術在實際工程應用和產品設計中具有一定的參考價值。

［1］張玉杰，馬立云，張賀艷.基于RAM和FPGA的LED顯示屏系統(tǒng)的設計[J].計算機測量與控制，2009，17（12）：2429-2431.

［2］黃毅，朱為.基于CPLD的LED顯示屏異步控制系統(tǒng)設計[J].電子器件，2007，(1)： 143-146.

［3］GE Xin， MENG Fanrong.UsingμCGUI to Develop Graphical User Interface[J].ComputerEngineering andDesign，2005，26(1)：253-255.

TP368

A

1672-0547（2010）04-0062-02

2010-06-20

王麗萍（1965-），女，安徽南陵人，光電子應用安徽省工程技術研究中心副教授，研究方向：電子信息處理。

安徽省教育廳自然科學研究重點項目《ARM及其嵌入式系統(tǒng)在LED顯示控制系統(tǒng)中的設計應用研究》成果（編號：KJ2008A27ZC）。