王麗萍 周珍艮

（光電子應(yīng)用安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽 銅陵 244000）

ARM在LED顯示控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

王麗萍 周珍艮

（光電子應(yīng)用安徽省工程技術(shù)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(shù)開發(fā)LED顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。應(yīng)用CPLD實(shí)現(xiàn)ARM（S3C44B0）中LCD與LED顯示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接，使LED具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)顯示功能。文章重點(diǎn)討論了控制系統(tǒng)的軟硬件和邏輯設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)上LED彩屏風(fēng)采盡顯；大型歌舞晚會(huì)LED背景墻以其色彩鮮艷、動(dòng)態(tài)逼真，給予人們視覺享受無限；LED電視也即將進(jìn)入百姓家庭，形成具有相當(dāng)發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸怆娮赢a(chǎn)業(yè)。

LED顯示技術(shù)涵蓋了微機(jī)控制、視頻、光學(xué)、機(jī)械和數(shù)字圖像處理等多種技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)相結(jié)合的綜合電子信息技術(shù)。LED彩屏特別是視頻顯示系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)圖像快速顯示，需要對(duì)紅、綠、藍(lán)LED進(jìn)行灰度調(diào)節(jié)。如果三色都能實(shí)現(xiàn)8位灰度可調(diào)，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(shí)間分為8個(gè)不相等時(shí)間長(zhǎng)度子幀，8位共有256個(gè)灰度等級(jí)。如此復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能和龐大地、高速的數(shù)據(jù)處理，只能由大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)，使用ARM+CPLD技術(shù)，能夠完成LED顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸控制、灰度控制，系統(tǒng)控制等系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)開發(fā)難度不大，產(chǎn)品應(yīng)用靈活性較強(qiáng)。

一、LED顯示控制系統(tǒng)工作原理

數(shù)據(jù)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(gè)部分的工作。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)和器件，利用Intemet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)可以很好地解決數(shù)據(jù)的傳輸問題。不必要再花費(fèi)專門的時(shí)間開發(fā)數(shù)據(jù)的采集和傳輸控制模塊，這對(duì)于縮短產(chǎn)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(gè)控制系統(tǒng)是以ARM微處理器為核心的一個(gè)小型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)[1]。該控制系統(tǒng)采用大容量閃速存儲(chǔ)器和通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和更新，并在控制上配備CPLD來分擔(dān)ARM微處理器的壓力，以達(dá)到全彩LED顯示屏的高灰度級(jí)、高復(fù)雜性特技和高速度、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘@示要求。

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

1.設(shè)計(jì)目標(biāo)：本文研究的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小型的、可脫機(jī)播放的彩色視頻系統(tǒng)，根據(jù)LED顯示屏的工作原理以及視頻系統(tǒng)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)，歸納出以下主要幾點(diǎn):

（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(shí)現(xiàn)灰度顯示，灰度級(jí)為256級(jí)

（4）LED 顯示屏的基色:R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))

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

2.系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

圖2主要硬件設(shè)計(jì)

（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(nèi)核、0.25μmCOMS標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲(chǔ)器開發(fā)的16/32位RISC處理器，一般應(yīng)用于提供高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案。S3C44B0X內(nèi)含部件:8KB Cache、可選的內(nèi)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(duì)時(shí)鐘PLL。

針對(duì)全彩LED顯示屏的各種功能需要，在本控制系統(tǒng)中擴(kuò)展了 FLASH、SDRAM、8021 以太網(wǎng)卡、CF 卡、UART、JTAG調(diào)試接口、自動(dòng)亮度控制等模塊，

在本系統(tǒng)中，充分利用了功能強(qiáng)大的S3C44B0X的內(nèi)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(yùn)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(zhuǎn)換。S3C44B0的GPIO口內(nèi)部編碼以連接紅外接收器，解析各種命令、溫度和時(shí)間是LED屏幕經(jīng)常包含的內(nèi)容。選用DS18B20溫度傳感器采集溫度，并充分利用S3C44B0的內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，減少了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)運(yùn)行于60M主頻，程序存儲(chǔ)器選用16M byte FLASH 28F128芯片，同時(shí)在FLASH中保存系統(tǒng)設(shè)顯示的內(nèi)容以及設(shè)置參數(shù)等；Boot程序被應(yīng)用程序搬移到SDRAM區(qū)域運(yùn)行大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度

（2）JTAG測(cè)試接口

JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路TAP(TestAccess Port，測(cè)試訪問口)，通過專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。通過JTAG接口，可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，JTAG接口還常用于實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程功能，如對(duì)FLASH器件進(jìn)行編程等。S3C44B0專用ICE引腳TDI、TDO、TCK、和TMS實(shí)現(xiàn)了ARM7TDMI的ICE接口，為目標(biāo)板仿真提供了一個(gè)完全的、低成本的調(diào)試方案。

（3）數(shù)據(jù)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(qiáng)大，可以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)TCP/IP，因此能夠很容易地實(shí)現(xiàn)Intemet數(shù)據(jù)通信。

市場(chǎng)上有很多的TCP/IP協(xié)議棧可供選擇，本系統(tǒng)選用lwIP，它結(jié)構(gòu)清楚，占用存儲(chǔ)器空間小，這對(duì)于存儲(chǔ)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(yīng)用

本系統(tǒng)的CPLD選擇了XC9572實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的仲裁和掃描控制[2]。它具有很好的組合邏輯和時(shí)序邏輯功能，能夠完成LED顯示所需要的掃描控制信號(hào)。CPLD設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，它主要包括以下幾個(gè)模塊：⑴時(shí)鐘進(jìn)程:產(chǎn)生各種頻率的時(shí)鐘；⑵FIFO:CPLD與MCU之間的接口部分，用作數(shù)據(jù)緩沖，它使得MCU可以對(duì)顯存進(jìn)行全速寫操作；⑶寫入地址及數(shù)據(jù)產(chǎn)生器:產(chǎn)生向顯存進(jìn)行寫操作的地址和數(shù)據(jù)；⑷讀地址產(chǎn)生器：掃描方式不同，從顯存中讀取數(shù)據(jù)時(shí)的尋址方式也不同，讀地址產(chǎn)生器，可根據(jù)掃描方式的不同，產(chǎn)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(jù)從顯存中讀取的數(shù)據(jù)。產(chǎn)生相應(yīng)的掃描控制信號(hào)；⑹讀寫切換電路：對(duì)顯存的讀寫狀態(tài)進(jìn)行切換。

LED顯示屏的控制信號(hào)的連接如表1。在邏輯設(shè)計(jì)上，OE信號(hào)由S3C44B0的GPIO直接控制屏幕的亮和滅;；LATCH信號(hào)和A00、A01、A02由VILINE信號(hào)和VFRAME信號(hào)來控制產(chǎn)生(VFRAME用作同步A00、A01、A02到0)；這里主要是RGB信號(hào)的產(chǎn)生。如果S3C44B0的4位雙行掃描工作于256顏色模式，每3個(gè)VCLK產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為D3D2D1（R1G1B1）、D0D3D2（R2G2B2）、D1D0D3（R3G3B3）、D2D1D0（R4G4B4），代表4個(gè)像素的RGB信息。因此，CPLD采樣時(shí)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(zhuǎn)換。圖3給出了由LCD到LED的時(shí)序邏輯圖。

表1 LED顯示屏控制信號(hào)接口

圖3 LCD到LED轉(zhuǎn)接的時(shí)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(nèi)核，編寫應(yīng)用程序比較簡(jiǎn)單，主要的任務(wù)是完成多任務(wù)之間的調(diào)度和同步，并為設(shè)備驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)服務(wù)程序提供信號(hào)量、消息隊(duì)列的服務(wù)[3]。因?yàn)閮?nèi)核需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)和確認(rèn)超時(shí)，所以還需要時(shí)鐘節(jié)拍（Tme Tikc)中斷服務(wù)程序?yàn)槠浞?wù)。

本系統(tǒng)劃分的任務(wù)包括:灰度顯示、JPEG解碼、亮度控制、顯示模塊、時(shí)間/日期定時(shí)顯示、消息響應(yīng)事件等任務(wù)。編寫好這些任務(wù)的代碼(包括系統(tǒng)服務(wù)的調(diào)用)和用到的中斷服務(wù)程序后，啟動(dòng)操作系統(tǒng)則應(yīng)用程序就開始運(yùn)行。若要增添功能，只需增加相應(yīng)任務(wù)和調(diào)用一定的系統(tǒng)服務(wù)即可。

五、結(jié)論

采用高性能的32位ARM微處理器替代傳統(tǒng)的單片機(jī)，在uC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效的多任務(wù)管理下設(shè)計(jì)的全彩LED顯示屏控制系統(tǒng)，具有更強(qiáng)大的功能和實(shí)時(shí)處理能力。采用基于ARM(S3C44B0)的LED顯示技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有一定的參考價(jià)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(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)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(shè)計(jì)[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(yīng)用安徽省工程技術(shù)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(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目《ARM及其嵌入式系統(tǒng)在LED顯示控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究》成果（編號(hào)：KJ2008A27ZC）。