713.单片机控制的LED点阵显示系统.doc
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1、河北经贸大学毕业论文单片机控制的LED点阵显示系统基于主控电路设计部分专业名称: 电子信息工程 班 级: 学生姓名: 指导教师: 完成时间: 2008年5月 摘要本文介绍了一种应用于室内的大型LED显示系统的设计和研制。该系统采用高性能32位ARM微处理器为主控芯片,并由其实现LED显示屏刷新及动态显示效果的控制。系统通过RS-232串口和主控芯片进行数据通信,LED显示屏的行、列驱动信号分别由ARM处理器的GPIO口输出。工作原理是:系统与上位机的通信由LPC2148的UART0口与RS232接口电路完成,上位机仅需将要显示的数据发送到ARM芯片,再由芯片来输出所要显示的字模数据。显示屏采用
2、1/16动态逐次行扫描方式,先将GPIO口中的字节数据依此串行移入对应的16组74HC573列驱动电路并锁存。随后启动行驱动电路的选通信号,完成一行的LED显示。依次类推,逐次的显示LED屏的各行,完成一帧的显示。系统具有硬件结构简单、LED显示刷新速度快、系统可靠、成本适宜等特点。方案经实际测试验证,证明设计是成功的。关键词 :LED ;ARM ;微处理器 ;GPIO。AbstractA large-scale application of the indoor LED Display System Design and Development is introduced in this a
3、rticle. The high-performance 32-bit ARM microprocessor chip to control is used in this system, and the realization of LED display refresh and dynamic effect of control. System communicates with microprocessor chip through the RS-232 serial port for data communications. Driver signals of LED display
4、row and column are supplied by the ARM processors GPIO(General Purpose I/O Port). The working principle is: PC system and the communication from the UART0 of LPC2148 and RS232 interface circuit completed, Pc need to sent the date that will display to the ARM chip, and then from the chip to output da
5、ta to show Zimo. Display is completed by 1 / 16 dynamic successive line scanner, the bytes of data from GPIO port so serially import into the corresponding 16 Group 74 HC573 out drive circuit and latches. Then the signal that can enable the each row date of LED to display is started, in this way, th
6、e work of displaying one row is completed. By the same way, successive LED display screen of the trip, the completion of a frame show. Hardware of system is characterized of simple structure, LED display refresh faster, the system reliable, cost-appropriate, and some others. Through the practical ap
7、plication of the test, the proof is that the design is successful.Keywords: LED; ARM ; Microprocessor ; GPIO.目录1 绪论12 背景知识12.1 LED的结构及发光原理12.2 单色光LED的种类及其发展历史13 设计任务及意义23.1 设计任务23.2 设计意义24 设计方案及实现44.1 设计方案的比较44.1.1 基于STC89S52单片机的实现方案44.1.2 基于ARM7芯片的实现方案44.2 系统分析44.2.1 对显示模块的控制及连接44.2.2 系统中的关键技术54.2.
8、3 ARM微处理器的选型54.3 系统的硬件设计54.3.1 系统整体设计方案64.3.2 电源电路设计64.3.3 时钟电路设计74.3.4 复位电路设计74.3.5 串口通信电路设计84.3.6 显示模块电路设计84.3.7 逐行扫描显示控制电路设计94.3.8 显示数据锁存控制电路设计104.3.9 显示模块的驱动电路设计114.3.10 显示数据缓存电路设计124.3.11 显示模块级联电路设计124.4 ARM的软件开发134.4.1 ADS集成开发环境134.4.2 ADS集成开发环境的组成144.4.3 AXD调试器154.4.4 系统的软件设计155 系统测试与总结展望175.
9、1 系统测试175.2设计总结205.2.1 设计成果205.2.2 设计中的不足及改进方向205.3 设计展望20致谢21参考文献221 绪论当前,信息化建设在各地蓬勃发展,作为信息发布的终端显示设备,LED显示屏己经广泛应用于工作和生活的各个方面,主要用于显示文字、图像、动画等。LED显示屏的应用涉及社会的许多领域,主要包括:金融证券、体育场馆、道路交通、邮政电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。 LED是发光二极管的简称(Light Emitting Diode)。由于它具有亮度高、响应速度快、低电压、功耗小、耐震动、寿命长等优点,使其成为室内外信息显示终端的主要发光器件。
10、LED屏体是将LED模块或像素管按照实际需要大小拼装排列成矩阵,配以专用显示电路,直流稳压电源,软件,框架及外装饰等,即构成一台LED显示屏。LED显示屏是20世纪90年代出现的新型平板显示器件,由于其亮度高、画面清晰、色彩鲜艳,使它在公众多媒体显示领域一枝独秀,因此市场空间巨大。 LED显示屏的发展可分为以下几个阶段:第一阶段为1990年到1995年,主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片,主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所,作为公共信息显示工具。 第二阶段是1995年到1999年,出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的
11、应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。 第三阶段从1999年开始,红、纯绿、纯蓝LED大量涌入中国,同时国内企业进行了深入的研发工作,使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用,大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所,从而将国内的大屏幕带入全彩时代。2 背景知识2.1 LED的结构及发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的
12、抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层,称为P-N结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。 当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。2.2 单色光LED的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪
13、60年代初。当时所用的材料是GaAsP,发红光(p=650nm),在驱动电流为20毫安时,光通量只有千分之几个流明,相应的发光效率约0.1流明/瓦。 70年代中期,引入元素In和N,使LED产生绿光(p=555nm),黄光(p=590nm)和橙光(p=610nm),光效也提高到1流明/瓦。 到了80年代初,出现了GaAlAs的LED光源,使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 90年代初,发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料开发成功,大幅度地提高了LED的光效。在2000年,前者做成的LED在红、橙区(p=615nm)的光效达到100流明/瓦,而后者制成的LED在绿色
14、区域(p=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。3 设计任务及意义3.1 设计任务大型LED显示系统中比较重要的环节就是合理地进行软硬件设计,在实现较好的显示效果的同时降低系统的成本。通过PC机或GSM网络对显示系统进行多种控制。该设计基于ARM7体系结构的ARM芯片LPC2148,完成ARM核心单元的设计。系统的硬件电路主要分为主控电路和显示电路两部分主控电路用于分析接收到上位机的数据,并控制显示模块。显示模块的主要功能是将要显示的数据进行缓存和驱动,保证各种显示效果的实现。进行主控电路设计时需要考虑方案的设计和选择。定好方案后,还要合理选择主控芯片和相关器件。对于单片机或其他嵌入式系统,
15、基本都要进行电源电路的设计、时钟电路的设计、复位电路的选择、通信串口的扩展设计。进行显示模块电路的设计时需要考虑显示驱动电路的设计、显示数据缓存电路的设计、显示模块的控制及连接电路设计等。这些设计是为了保证主控电路发出的数据能正确地被显示出来,同时达到点阵屏显示的各个显示指标要求,主要包括显示亮度和显示刷新频率等。对于系统的软件设计部分,具体的设计方法要根据所选的主控芯片来确定。确定好主控芯片后,再确定适合芯片的软件开发环境和调试器来编译程序。3.2 设计意义在理论上,本课题涉及到嵌入式系统的核心部分,特别是嵌入式操作系统及芯片的应用知识。在工程应用上,LED显示系统的ARM核心单元设计是一个
16、工程性比较适合学生的题目,通过该课题,可以深入地了解嵌入式系统的开发过程,掌握嵌入式系统的基本开发技术,比如ARM芯片的选择,外围电路的设计,PCB的制作,程序的调试,系统开发调试环境的构建等,对于其他嵌入式问题的研究也会有所借鉴。LED显示屏在各行业的业务宣传和信息显示方面有着广泛应用,因此该题目具有一定的实用性。从实现角度来看,该题目是一个典型的软硬件结合的题目,在硬件方面要求对单片机或嵌入式系统和相关器件有比较深入的了解,不仅能画出原理图、PCB图并焊接电路板,而且能搭建和调试简单的硬件环境;在软件方面,要求能用汇编语言或C语言编写硬件程序,用VC或VB编写上位机程序。虽然实现难度不大,
17、但涉及的内容和知识点很多,工作量大,是对设计者计算机软硬件知识的一个综合锻炼。通过该题目设计者可以系统地理解嵌入式系统的整体构架。因此,该题目是一个综合性很强的应用型题目。4 设计方案及实现4.1 设计方案的比较 4.1.1 基于STC89S52单片机的实现方案在此之前,曾试图将单片机作为主控芯片,当时采用的是STC89S52单片机,外围驱动电路主要由八位移位串行锁存器(74HC595)和三级管(8050)构成,显示部分为6416双色点阵,同时留有串口通信扩展接口和显示模块级联接口。其工作原理是:单片机通过接收上位机的协议来判断要显示的内容,并将显示数据通过单片机I/O口输出,经74HC595
18、移位锁存和驱动,并行输出到点阵每一列,点阵的行电流驱动是通过三级管进行一级放大实现的。此方案虽然能显示红、绿、黄三种颜色,但由于单片机的工作频率不高,加之显示数据为串行输出,最终显示效果是即使用一个显示模块也存在闪烁现象,亮度也不够。另外,如果用此方案,还要用到实时时钟芯片和存储芯片。4.1.2 基于ARM7芯片的实现方案此方案主要针对方案一中存在的技术问题进行改进。采用ARM7系列微处理器作为主控芯片,提高工作频率和通信速度,也省去了实时时钟芯片;数据输出电路也由先前串行输出方式改为并行输出方式,同时使用二级缓存,用来提高数据传输速度和改善显示效果;在驱动电路的设计中,点阵的行驱动电流采用二
19、级放大,列驱动则使用达林顿管;为提高通用性,显示模块之间的连接使用错位级联方式;与上位机通信也分为两种方式,串口直连与GSM通信模块通信,留有两种通信接口。此方案的电路虽然比方案一复杂,但显示效果和实现的功能大大的提高了。鉴于以上比较,选择第二种方案。4.2 系统分析4.2.1 对显示模块的控制及连接LED显示系统网络拓扑结构如图4-1所示。其工作过程为:主控模块时刻向显示模块发送控制数据和显示数据,并将有用信息上传到上位机。通过上位机软件可以对显示内容进行显示和控制。图4-1 LED显示系统网络拓扑结构4.2.2 系统中的关键技术首先,要考虑对显示模块的控制及连接:LED显示系统是利用人眼视
20、觉特点采用逐行扫描和列驱动方式以节省硬件开支的,本系统采用1/16逐行扫描方式,显示模块为一个6432的点阵屏。在解决刷新显示数据时会出现“拖尾”现象的问题上,应用两个锁存器来实现二级锁存。为此需要选择合适的锁存器和译码器进行电路设计。同时,将模块以错位级联的方法连接时,需要考虑电路的驱动能力、最大连接模块数目和设计具体的连接方式。其次,要进行主控芯片的选择:为了保证一定的显示质量,帧频应在30帧/s以上。对于一个512256的单色LED屏,每秒的数据传输量至少为480 KB以上,对于彩屏及显示质量高的场合,数据传输量还将按整数倍增长。另外,当LED屏位于室外时,上下位机通信可能有一定距离,此
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- 713. 单片机 控制 LED 点阵 显示 系统
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