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湖南LED顯示屏單片機系統設計

2020-11-30

由于所需要顯示的信息流比較大,用現有的基于AT89C51芯片組成的 LED顯示屏控制系統,由于受到微處理器的處理速度、體系架構、尋址范圍、外圍接口資源等諸多限制,已難以在要求顯示較多像素、顯示內容幀頻較高、動態顯示效果復雜的情況下,得到良好的動態視覺效果。針對以上情況,在利用現有資源的基礎上,重新設計和研制了一種全新的,由32位高性能ARM微處理器組成的湖南LED顯示屏控制系統的硬件結構框圖系統,并通過RS485接口與現場總線中的上位機進行實時數據通信,實現整個系統的信息顯示。

1 系統硬件結構

該系統的硬件組成基于ARM7TDMI內核的高性能32位RISC架構的處理器,有著豐富的外圍接口資源。AT91M42800A有2個USART外圍接口,系統用USART0口和MAX485組成485接口電路,具體的接口電路,AT91M42800A還有2個SPI口,每個SPI口有4根片選信號,通過片選均可以支持外接15個設備。該系統的做法是將2個SPI口分別接到列驅動電路和行驅動電路上,并利用各自的2個片選信號CS0和CS1完成驅動電路的信號鎖存和允許輸出控制,SPI的CLK輸出作為驅動電路的時鐘信號輸入,工作頻率為4 MHz。

SRAM接口電路由2塊HY57V641620芯片并聯組成,HY57V641620是4 Banks×1M×16位的SDRAM芯片,單片HY57V641620存儲容量為4組×16 M位(8 MB),支持自動刷新,16位數據寬度。為充分發揮32位CPU的數據處理能力,系統用2塊8 ns的HY57V641620組成32位SDRAM存儲器系統。Flash存儲器接口電路由1塊HY29LV160芯片組成。HY57V641620是Flash存儲器芯片,單片存儲容量為16 M圖2485接口電路、A6B595和A6276級聯電路原理圖位(2 MB),8/16位數據寬度,本系統采用16位數據寬度的工作方式。具體的電路連接可參閱參考文獻。

行驅動電路由Allegro公司的36片A6B595級聯組成,顯示屏背面每行數據線由串入并出移位寄存器A6B595級聯而成,A6B595片內集成有MOS管構成的驅動器,發光二極管足夠驅動發光。列驅動電路由24片A6276級聯組成,A6276是16位帶鎖存的串入并出移位LED驅動芯片。A6B595和A6276級聯時引腳和聯接方法,電路都較為簡單(其中帶端口框標的為AT91M42800A的相應引腳)。其他詳細的性能資料,。AT91M42800A的SPI口均采用16位串行輸出工作方式,利用32位ARM處理器的高速性能,能夠充分提高數據傳輸速度。

2 工作原理

該系統與上位機的通信由AT91M42800A的USART0口與485接口電路完成,上位機僅需將要顯示的數據,傳送至AT91M42800A即可。開機后,AT91M42800A初始化,讀入啟動代碼后,將保存在Flash存儲器內的程序代碼和所要顯示的字模數據,重映射到SDRAM中,使得系統的數據存取全部在高速SDRAM中完成。在接收到上位機的數據后,AT91M42800A將要顯示的數據,轉換成相對應的顯示驅動信號,再加入相應的動態顯示效果控制程序(畫面左移 LED屏、上移、開幕、覆蓋、閃爍和直顯等)后,用SPI口分別輸出給行、列驅動電路。同時,若有需要,上位機所傳來的數據或圖像畫面,也可以保存在Flash存儲器中。

顯示屏采用1/16動態逐次行掃描方式,先將SPIA端口中的24個字節數據依此串行移入對應的24個A6276列驅動電路,并鎖存。接著,SPIB端口再將一行行選通信號串行移入行驅動電路,完成一行的LED顯示。然后依理,逐次的顯示LED屏的各行。

二極管亮滅時間的占空比可用軟件進行設定,以選取合適亮度,提高發光二極管的使用壽命。在現場實際安裝的LED顯示屏,有效顯示面積約為4.6 m2,共有288×384=110 592個像素,滿幀刷新時間最短可小于8 ms,換幀頻率125 Hz以上,比傳統的用單片機組成的顯示系統提高了10倍以上的幀頻,保證了動態顯示時的視覺效果。同時,在相同的條件下,還可以使得實際可視像素點增多。

3 軟件部分簡述

系統的軟件采用μC/OSII操作系統,使得系統具有強大的多任務管理、定時器管理、中斷管理、存儲管理等功能,通過對相關寄存器的實時監控,可以大大提高系統的穩定性,這些是以往用單片機和部分DSP處理器所無法實現的。

顯示應用程序采用定時器中斷方法,通過設置合適的進入中斷時間常數,即可以得到高于40 Hz的LED刷新幀頻,使人眼得到穩定的動態視覺效果。

畫面的實時動態處理,即各種動態顯示方式均以子程序形式編寫,每種顯示方式都是獨立的子程序。具體的動態顯示方式有:畫面左、右移,上、下移,拉幕,覆蓋,閃爍,直顯等多種方式。

4 、系統的優點

① 使用高性能32位RISC架構的ARM微處理器,硬件上克服了傳統8/16位單片機在處理能力、系統架構、尋址范圍和外圍接口能力上的不足;軟件上使用實時多任務操作系統,使系統的管理功能強大,可進行實時監控,實現復雜的程序控制,程序的開發和擴展也很方便。和以往單片機組成的類似系統相比,本系統的軟件穩定性和可靠性都得到了很大提高。

② 該系統省去了傳統做法中LED顯示部分的總線驅動和譯碼電路,不像其他一些單片機系統,為提高顯示速度而采用多處理器,使用雙端口RAM,或是采用將LED屏分為多塊的方案。系統使用AT91M42800A的SPI接口直接實現LED顯示邏輯驅動,不僅電路簡單,并且簡化了軟件的相關編程,節省了MCU的GPIO硬件資源。

③ AT91M42800A的SPI接口可以采用16位傳輸方式,配以A6276高速的16位專用LED驅動芯片,使得LED的顯示刷屏速度比傳統的單片機有了極大提高。

結語

由32位嵌入式 RISC微處理器組成的大屏幕湖南 LED顯示屏系統,與傳統的基于 8/16位單片機的 LED顯示系統相比,在不顯著增加系統成本的情況下,性能有了極大提高。而與采用DVI接口方式的顯示系統相比,省去了視頻處理的相關電路,又具有硬件結構簡單、成本低廉等優勢。采用本設計方案,可節省單片機的端口資源,有效簡化顯示屏的電路結構,提高了整個顯示系統的可靠性。在單色視頻、動畫、文字等LED信息顯示方面。


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