2022年毕业论文 5

湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第1页目录1.绪论 21.1 LED 显示屏产业发展现状及发展趋势 21.2 ARM 处理器的发展现状 41.3 本课题设计的目的与研究方法 61.4 本论文的主要内容 72 基于 ARM 的 LED 显示单元的基本原理 82.1 ARM7 的基本原理 82.1.1 ARM7 概述 82.1.2 UART 串口 92.2 LED 点阵显示屏 11 2.2.1 LED 点阵屏的显示原理 11 2.2.2 LED 的驱动原理 11 2.2.3 LED 显示屏的优点 12 2.3 ARM 对 LED 的控制显示 13 2.4 RS485 通信协议 15 3.毕业设计整体规划 16 整体思路 16 3.2 芯片选型：16 3.3 原理简介 17 4.系统硬件设计 20 4.1 电源模块的设计 20 4.2 ARM 模块的设计 22 4.3 串口模块的设计 25 4.4 LED 屏控制模块 28 5 系统的软件设计 30 5.1 ARM ADS 集成开发环境的介绍 30 5.2 软件的控制流程分析 32 握手信号的流程与通信数据帧格式 32 5.2.2 通信实例分析 34 5.3 ARM 主程序的设计 35 5.3.1 主程序的简要分析 35 5.3.2 主程序流程图 35 5.4 中断子程序的设计 36 5.4.1 中断子程序的简要分析 36 5.4.2 中断子程序流程 37 5.5 LED 控制器的工作流程 39 结束语 40 精选学习资料 -名师归纳总结-第 1 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第2页1.绪论LED 显示屏产业发展现状及发展趋势进入新世纪 LED 显示屏的技术和产业都取得了长足的发展，作为重要的现代信息发布媒体之一 LED 显示屏在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域被广泛地应用。伴随社会信息化进程的推进LED 显示屏技术也在不断地推陈出新，应用领域愈加广阔。LED显示屏是八十年代后期全球迅速发展起来的新型信息显示媒休,它利用发光二极管构成的点阵模块成像素组成大面积显示屏幕,以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点,在短短的十来年中,迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到广泛的应用。我国LED显示屏产业自 90年代以来，到目前中国 LED 显示屏产业已初具规模，形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计，全国从事 LED 显示屏的各类企业约有 150 家，从业人员近万人。其中130 家企业加入了中国光学光电子行业协会LED 显示屏分会，年度销售总额占全国同行业的80%以上。目前国内主要 LED 显示屏制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域。大型制造商的市场范围几乎覆盖了整个中国。国内LED 厂商中，年产值上千万的有20 余家在规模迅速发展的同时，产品技术也推陈出新，一直保持了在该领域内比较先进的水平。早在 90年代初，国产的 LED显示屏就具备了成熟的 16级灰度 256色视频控制技术和无线遥控等，代表了当时的国际先进技术水平。近几年，在全彩色LED显示屏 256级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群控技术等方面，均有居国内外先进技术水平的产品出现。在 LED显示屏控制专用大规模集成电路方面，国内企业也有开发生产并得到了实际应用。进入二十一世纪的示技术将是平板显示的时代,LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展,井有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色 LED 产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化，使 LED全彩色显示屏产品成本下降，应用加快。目前国际上LED红管的单价急剧下跌，某些厂商的蓝管价格也下降到0.8美元/颗，纯绿管逐渐大批量生产，精选学习资料 -名师归纳总结-第 2 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第3页显示屏屏体价格会逐步降低；同时，随着控制技术的发展和屏体稳定性的提高，使显示屏的质量也较过去为佳。全彩色LED 显示屏将是 LED 显示屏的重要发展方向。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均到达比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED 屏更会成为主流产品。据不完全统计，世界上目前至少有150家厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有 30 家左右，主要分布在美国、欧洲、亚洲(日本、中国台湾、中国大陆)。国内从1994、1995 年开始生产全彩色显示屏，到2001年底，全国范围内的全彩色LED 显示屏到达 300 多块。全彩色 LED 显示屏的广泛应用会是 LED 显示屏产业发展的一个新的增长点。标准化、标准化材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和标准化将成为一个新趋势。近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件下是以价格作为主要的竞争手段几番价格回落调整到达基本均衡，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对 LED显示屏的标准化和标准化有了较高要求。1999年，中国光协光电器件分会LED 显示屏专业委员会在昆明组织起草了LED 显示屏检测方法，经修改后，于2000年8月正式印发。目前电子标准化研究所与LED 显示屏专业委员会正在就标准体系和具体标准的建立组织力量进行有关工作。产品结构多样化信息化社会的形成,信息领域愈加广泛,显示屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型 LED显示屏的主流产品局面将会发生改变,适合护服务行业特点和专业性要求的小型LED示屏会有较大提高,而向信息服务领域的 LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富部分潜在的市场需求和应用领域将会有所突破,如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系列LED显示屏在 LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。精选学习资料 -名师归纳总结-第 3 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第4页1.2 ARM 处理器的发展现状ARM 是Advanced RISC Machines 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的RISC处理器、相关技术及软件。ARM 公司于二十世纪 90年代成立于英国剑桥大学，在十多年的发展历程中，ARM公司已经成长为 IP核设计领域的一面旗帜。ARM 处理器核当前有 7 个系列产品:ARM7,ARM9,ARM9E,ARM10E,SecurCore,ARM11 以及最新的 Cortex 系列。其中,ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E 为4 个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求,SecurCore 系列专门为安全要求较高的应用而设计,产品性能见表 1。表1.1 ARM处理器内核性能A R M 技术的发展趋势1.高度集成化的 SOC 趋势ARM 公司是一家 IP 供给商，其核心业务是 IP核以及相关工具的开发和设计。半导精选学习资料 -名师归纳总结-第 4 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第5页体厂商通过购买 ARM 公司的IP 授权来生产自己的微处理器芯片，从而产生了一大批高度集成、各具特色的 SOC芯片。例如 Intel公司的 XScale 系列集成了 LCD 控制器、音频编/解码器，定位于智能 PDA市场；Atmel 公司的 AT91系列片内集成了大容量 Flash 和RAM、高精度A/D 转换器以及大量可编程 I/O 端口，特别适合于工业控制领域；Philips公司的 LPC2000系列片内集成了 128位宽的零等待 Flash存储器以及 I2C、SPI、PWM、UART 等传统接口。2.软核与硬核同步发展的 S O P C 技术随着亚微米技术的发展，FPGA 芯片密度不断增加，并以强大的并行计算能力和方便灵活的动态可重构性，被广泛地应用于各个领域。但是在复杂算法的实现上，FPGA 却远没有 32 位RISC 处理器灵活方便，所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时，往往需要 RISC 和FPGA 结合使用，SOPC 技术就是在这样的环境下诞生的。S O P C 技术中以 N i o s 和MicroBlaze为代表的 RISC处理器 IP核、各种标准外设 IP核以及用户以HDL 语言开发的逻辑部件可以最终综合到一片FPGA 芯片中，实现真正的可编程片上系统，此时的嵌入式处理器称之为“软处理器”或“软核”。SOPC 技术的另一个重要分支是嵌入硬核。集高密度逻辑(FPGA)、存储器(SRAM)及嵌入式处理器(ARM/PPC)于单片可编程逻辑器件上，实现了高速度与编程能力的完美结合。3.与DSP 技术融合传统的嵌入式微处理器可以分为微控制器MCU、微处理器 MPU和数字信号处理器DSP，然而随着技术的发展，它们之间的区别也变的越来越模糊，并有逐步融合的趋势。现在不少的 MCU 和MPU 具备了 DSP的特征，例如采用哈佛结构，增加了乘加运算指令等；同时不少 DSP 芯片内部也集成了 A/D、D/A、定时/计数器和 UART 等。4.开发和调试手段不断完善随着嵌入式应用系统的日益复杂化以及开发周期越来越短，开发和调试手段也发生了很大改变。硬件方面由于 QFP 和BGA 封装的逐渐普及，以边界扫描接口(JTAG)为基础的在电路仿真调试手段(ICE)正在普及，更为先进的片上实时跟踪(Trace)技术也已浮出水面。软件方面，采用嵌入式操作系统来管理软、硬件资源，同时传统的C语言和汇编语言混合编程的模式也因为引入面向对象思想以及C和 Java语言而发生了很大改变。精选学习资料 -名师归纳总结-第 5 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第6页5.软件工程思想融入嵌入式软件嵌入式软件规模不断扩大，以往的面向过程的模块化分析方法已经很难满足要求。基于对象的统一建模语言(UML)可以描述对于实时系统极为关键的结构和行为方面，并且已成为有效设计的优秀媒介。首先，采用有限状态机(FSM)、统一化规格语言(CSP)和硬件描述语言(HDL)等方法对系统进行抽象描述，对软/硬件统一表示，便于功能划分和综合；然后，在此基础上对软/硬件进行划分。这种方法的特点是在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑软/硬件的关系，并在设计的每个层次上给予测试验证，使得尽早发现和解决问题。1.3 本课题设计的目的与研究方法本设计是智能公交管理系统的一个项目分支，主要设计目标是实现：当公交车到达某一个车站时，将通过 GPRS接收所到站点信息资料，并且自动在LED显示屏上显示出来，方便乘客了解该站的基本信息，通过ARM7 处理器控制。本设计的最终目标是设计出一个基于 ARM7 的LED点阵式显示屏的显示控制模块，实现对汉字的滚动显示。本课题主要是通过设计 LED显示屏的控制系统 基于 ARM 来到达一个让我掌握设计研究的基本思路、过程、方法。并通过具体的课题设计进一步的加深和稳固对RAM 芯片、C+语言、LED显示屏的结构和工作原理等知识的认识。本设计采用的研究手段主要步骤如下：选取合适的便于 ARM7控制的车载 LED屏。LED显示屏主要由 LED点阵组成，为了缩短开发周期，争取选用已经安装好底层驱动，具备标准串行接口的 LED显示屏模块。实现 ARM 接口与 LED接口的匹配。由于汉字显示时，对数据的传输数率要求不高，故可采用串口传输。本课题设计的重难点是：显示屏控制系统的芯片选型，与主电路的接口设计，LED显示屏的结构原理以及如何驱动。重点：1.芯片的选型，主要是抓住设计的整体思路，明确设计所要到达的目的、要求，从而选择符合要求，经济合理的芯片。2.接口设计，要阅读相关的文献，人机界面与控制板之间的接口通信采用RS-485接口，控制板内部的接口是具体情况而定。精选学习资料 -名师归纳总结-第 6 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第7页难点：本设计的难点要属LED 显示屏的结构原理以及如何驱动，由于要显示汉字且根据公交车提示屏的大小尺寸采用假设干8 8 点阵 LED 显示模块数量大概几十块级联，模块数量比较多，驱动以及接口设计问题将比较棘手。对于这个问题我打算先认真学习相关的理论知识，然后自己研究实物进而自己动手设计，不懂的向学长或老师请教。1.4 本论文的主要内容第一章：绪论。综述 ARM 处理器与 LED显示屏的发展现状及其发展趋势。第二章：基于ARM 的LED显示单元的基本原理。该部分对组成系统的各部分及其原理进行了介绍。第三章：基于ARM 的LED显示单元的整体设计。给出了系统设计方案，和重要芯片及元器件的选型。第四章：系统的硬件设计。给出系统各模块的详细电路图。第五章：系统的软件设计。给出控制LED显示的各子程序的流程图，以及个别程序的详细程序。第六章：结束语。精选学习资料 -名师归纳总结-第 7 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第8页2 基于 ARM 的 LED 显示单元的基本原理2.1 ARM7 的基本原理2.1.1 ARM7 概述ARM7TDMI CPU 的微控制器带有 128/256 k 字节(kB)嵌入的高速 Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。在本系统中将会用到的LPC2294 较小的 144 脚封装、极低的功耗、多个32 位定时器、4 路 10 位 ADC 或 8 路 10 位 ADC64 脚和 144脚封装以及多达 9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。LPC2292/2294 系列芯片的特性：1.16/32 位 ARM7TDMI-S 微处理器，LQFP144封装。2.16 kB 片内静态 RAM 和 256kB 片内 Flash程序存储器。128 位宽接口/加速器可实现高达 60MHz 的工作频率3.通过片内 boot 装载程序实现在系统编程ISP和在应用编程 IAP。512 字节行编程时间为 1ms。单扇区或整片擦除时间为400ms。4.EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口使用片内RealMonitor 软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪5.2/4(LPC2292/2294)个互连的 CAN 接口，带有先进的验收滤波器。多个串行接口，包括 2 个 16C550工业标准 UART、高速 I2C 接口400 kbit/s和 2 个 SPI接口。6.8 路144 脚封装 10 位 A/D 转换器，转换时间低至2.44us。7.2 个 32 位定时器带 4 路捕获和 4 路比较通道、PWM 单元6 路输出、实时时钟和看门狗。向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。8.通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达16Mb，数据宽度为 8/16/32 位。9.多达 112 个通用 I/O 口可承受 5V 电压，9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。精选学习资料 -名师归纳总结-第 8 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第9页10.通过片内 PLL 可实现最大为 60MHz 的 CPU 操作频率。11.片内晶振频率范围：130 MHz。2 个低功耗模式：空闲和掉电。12.通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。13.双电源CPU 操作电压范围：1.651.95 V(1.8 V 0.15 V)I/O 操作电压范围：3.03.6 V(3.3 V 10%)，可承受 5V 电压。UART 串口在本设计中将会用到UART0 口作为 ARM 与 LED 控制器的通信接口。UART 是Universal Asynchronous Receiver的简称。该接口占用 ARM7 的两个引脚，分别是 RXD0和 TXD0。RXD0 是串行输入，用来接收串行数据；TXD0 是串行输出，用来发送串行数据。该口支持 RS485通信协议。该口有许多配套使用的控制寄存器，有两个寄存器用来接收和发送数据，它们是 U0RBR 和 U0THR。U0RBR 是 UART0 Rx FIFO 的最高字节。它包含了最早接收到的字符，可通过总线接口读出。U0THR 是 UART0 Tx FIFO 的最高字节。它包含了 Tx FIFO 中最新的字符，可通过总线接口写入。UART0 的主要特性包括16 字节收发 FIFO，寄存器位置符合550 工业标准，接收器 FIFO 触发点可为 1,4,8和 14字节，内置波特率发生器。2.1.3 ARM 处理器相比与 51 单片机的优点本设计之所以选择 ARM7 芯片而不选择 51系列芯片作为控制 CPU 是基于以下几个优点：1.ARM7 芯片是 32 位 CPU，而 51 系列芯片则是 8 位 CPU，对与相同功能的指令，ARM 的数据处理能力要明显强大得多。2.ARM7 芯片一般都集成有大容量的片内存储器和各种外围芯片，所以就大量减少了外围芯片的连接，精简了电路规模，降低了系统设计的难度和复杂度。3.ARM7 指令的处理采用取指，译码，执行三级流水线结构，而51 系列单片机指令是顺序读取和执行的。在 ARM7 系列中流水线越多，说明单位时间内执行指令的精选学习资料 -名师归纳总结-第 9 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第10页条数就越多，正是因为这种结构ARM7 的指令吞吐量要大，运算速度要快。4.ARM 处理器有多种工作模式,而 51 系列只有一种。ARM 处理器结构支持 7 种处理器模式,各种模式都会单独享有一定的系统资源，这就有利于在模式切换时减少保存的次数，提高程序的执行效率，显然51 系列单片机是在任何情况下都是共享相同的硬件资源。5.ARM7 处理器拥有比51 单片机更为高效的汇编指令集，且ARM7 处理器支持C,C+等高级语言进行开发，所以使用ARM 处理器编程会更简单。6.通常 ARM7 处理器都会有丰富的串口资源，且其支持的串口标准种类较多，所以能方便的与外部电路相连。7.ARM7 处理器的硬件资源远比51 单片机丰富。见表 2.151 系列单片机内核ARM7 处理器8 位代码指令32 位代码指令8 位数据总线32 位数据总线16 位地址总线32 位地址总线6 个中断源7 个中断源工作寄存器 R0-R7共 37 个寄存器程序寄存器程序寄存器状态寄存器状态寄存器累加器 A 和 B 37 个寄存器均可作累加器寻址范围 16 位地址宽度寻址范围 32 位地址宽度不能预取指三级流水预取指一种工作模式7 种工作模式不支持协处理器支持协处理器不支持 JTAG 调试支持 JTAG 调试表 2.1 51 系列和 ARM 处理器的比较精选学习资料 -名师归纳总结-第 10 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第11页2.2 LED 点阵显示屏LED 点阵屏的显示原理无论是单个 LED发光二极管还是LED 七段码显示器数码管，都不能显示字符含汉字及更为复杂的图形信息，主要是因为它们没有足够的信息显示单位。LED点阵显示是把很多的LED 按矩阵方式排列在一起，通过对各LED 发光与不发光的控制完成各种字符或图形的显示，在一定面积的矩阵中集成的LED 点数越多显示的文字或图像就会越清晰。当需要显示相关的文字时就只要点亮相应的LED 灯管的正极加高电压，在负极加低电压即可。一般的 LED 屏是由一个个小模块组成的，常见的有8*8 矩阵模块等，通过将这些模块级联就会得到所需大小的LED 显示屏。屏幕显示可分为静态显示和动态扫描显示两种。静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为n m 个像素，则需要 n m 套驱动电路；动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是 P 路复用，则每 P个像素需一套驱动电路，n m 个像素仅需n m P 套驱动电路。对动态扫描显示而言，P 越大驱动电路就越少，成本也就越低，引线也大大减少，更有利于高密度显示屏的制造。在实际使用的LED 大屏幕显示器中，很少采用静态驱动。LED 的驱动原理由 LED 器件的发光原理可知，只要在LED 器件上加上足够的正向电压，那么流过它的电流就会使它发光，这就是LED 器件的驱动。在实际应用中，往往需要调节LED器件的发光强度，通常我们是通过调节流经LED 器件的电流的平均时间来实现的。常见的 LED 器件的驱动方式有:直流驱动，脉冲驱动和扫描驱动。(1)脉冲驱动所谓脉冲驱动方式，就是利用人眼的视觉暂留效应，以脉冲的方式对LED 器件进行供电，使之间歇性地点亮。采用这种驱动方式需要对以下两个方面进行考虑脉冲电流的幅值和其重复颇率。首先，脉冲电流幅值的选择，当脉冲驱动的平均值与直流驱动的电流值相等时，我们人眼的感觉是相同的，也就是说两者的发光强度相当。由于人眼的精选学习资料 -名师归纳总结-第 11 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第12页视觉暂留现象不能低与24HZ 每秒，故采用该驱动方法时，驱动频率不能小于24次每秒。(2)扫描驱动扫描驱动是通过数字逻辑电路，使假设干LED 器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。LED 显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制；也可以按列扫描，按行控制.所谓“扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的LED 器件，而不问这一行的哪一列的LED 器件是否应该点亮，某一列的 LED 器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来负责。(3)直流驱动。这是最简单的驱动方式，只要对LED 直接通以直流电即可。LED 显示屏的优点LED 显示与传统显示方式相比有如下几个优点：1.光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以到达80%-90%。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。2 品质高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。3.能耗小：单体功率一般在0.05-1w，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8-10。4.寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10 万小时。一个半导体照明灯具正常情况下可以使用长达50 年。LED 显示器与 LCD 显示器相比，LED 在亮度、功耗、可视角度和屏幕更新速率等方面，都更具优势。LED 与 LCD 的功耗比大约为 10:1，而且更高的更新速率使得LED在影像方面有更好的性能表现，能提供宽达160 的视角，可以显示各种文字、数位、彩色图像及动画资讯，也可以播放电视、录影、VCD、DVD 等彩色视频信号，多幅显示幕还可以进行联网播出。而有机 LED 显示幕OLED的单个元素反应速度是LCD 液晶屏的 1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下 40 度的低温。利用 LED 技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有更广泛的应用前景。精选学习资料 -名师归纳总结-第 12 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第13页结合本设计实际应用，因为要用作公交车的报站显示，所以要求有高亮度，高寿命，更广的可视角度的特点，故本设计选用LED 屏。2.3 ARM 对 LED 的控制显示一般来说，对于小屏幕的 LED 显示屏的控制都是采用51系列单片机作为主控芯片。通常的解决方案是这样：图 2.1 单片机对 LED 的控制显示示意图该解决方案的控制流程如下：首先由单片机发出要在LED 显示屏上显示的文字数据信息以及相应的控制信息到总线驱动器。总线驱动器本身并不对上位机发过来的信号进行任何的改变，只是将这些信号传递到下一级，并对其提供足够的驱动电流。然后总线驱动器对传过来的驱动信号分两路，一路传到行驱动电路，一路传到列驱动电路，在常见的显示驱动电路设计中,列控制一般采用串入并带锁存的移位寄存器如74HC595,将数据打入锁存器中,使寄存器各引脚呈现与锁存器相同的状态来选中需要点亮的列。行控制一般采用译码器电路如4/16 译码器 74HC154,控制信号经译码后选中需要点亮的行。当行、列驱动信号分别加载到LED 点阵上时，就可将要显示的信息在LED 屏上显示出来。该方案的优点主要有：该方案结构简单，使用的器件常见且廉价，设计成本低廉；精选学习资料 -名师归纳总结-第 13 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第14页编程简单，调试方便。缺点主要有：硬件结构设计需要较多的控制信号线，占用单片机较多端口，从而造成端口资源的浪费；且该方案一般只能用于简单的文字和数字的显示，不能用于视频的显示。对与大屏幕的显示，由于大型LED 屏幕的点阵规模极其庞大，所以采用低端单片机控制，用移位寄存器来实现数据的串行转并行的方法远不能满足需求。目前一般采用的方案是基于 ARM 的控制和基于 CPLD 的驱动的模式。基于这种方式的控制系统能很好的满足设计要求，如图2.2所示。图 2.2 系统原理图该方案的基本原理如下：该系统主要由三部分组成：PC 机，显示控制电路和LED 显示屏构成，PC 机在控制中作为上位机，用于对下位机的控制和管理。系统的重点是显示控制电路，ARM 和CPLD 是显示控制电路的核心部分，共同完成数据的转换，控制信号的发送产生以及对LED 显示屏的动态扫描控制，其中数据转换信号控制部分采用ARM 实现，而 LED 显示屏的扫描驱动电路采用CPLD 来完成。上位机与下位机之间的通信采用标准的RS232或 RS485 电脑数据串行通讯方式。LED 显示屏在显示控制电路的作用下，主要完成以下功能:按照上位机设定的显示效果显示图像和文字。该方案的优点有：用可编程逻辑器件来完成电路功能，不仅能够满足LED 大屏幕系统高速图像数据传输对速度的要求，改善了电路性能，而且增加了电路设计的灵活性，设计中可以根据实际应用的需求灵活修改相应硬件描述语言程序，而不需要修改电路硬件设计，缩短了设计周期，降低了成本。同时，采用基于 ARM 核的 32 位微处理器，解决了系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题，可以支持更大可视区域的稳定显示，可以存储更多的显示内容。该系统不仅能显示文字信息，而且也能完美支持视频的显示。上位机PC 串口通信ARM 主控芯片扫描驱动电路LED 显示屏精选学习资料 -名师归纳总结-第 14 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第15页同时缺点如下：系统设计比较复杂，系统的成本高昂；编程规模巨大，开发难度大，不利于大规模使用。由于本课题的目的是要开发一个公交车载的LED 显示系统，它是一个实际科研课题的子系统，此子系统分到的CPU 端口资源极其有限，又基于以上两种解决方案的优缺点，本课题采用ARM7 作为系统的控制核心，为了节约有限的CPU 端口资源，且因为 LED 屏的文字和数字的显示数据传输要求并不是很高，故ARM 与 LED 屏之间的通信采用串口传输，所使用的协议是RS485串口通信协议。此方案的优点是：这种设计方案大大节省了CPU 的端口资源，有效简化了显示屏的电路结构，提高了整个显示系统的可靠性。系统的结构简单，模块与模块之间的信号线数量较少，使得控制更加方便、灵活，模块简单，能有效减少系统的开发周期与开发成本，完全的模块化设计也能增强系统的可扩充性和可维护性。2.4 RS485通信协议在本设计中为了布线的简单，采用RS485协议。RS485协议是目前应用非常广泛的半双工通信协议，它是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。因为它是半双工协议，所以在任何时候只能有一方可以发送数据，它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以到达 1.2 km；最大可连接 32个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达 200 mV；它具有以下特点：1.RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+26V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为 26V表示。接口信号电平比 RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。2.RS-485的数据最高传输速率为 10Mbps 3.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。精选学习资料 -名师归纳总结-第 15 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第16页本课题是智能公交系统的一个组成部分，主要完成信息的显示与控制，具体就是设计实现公交信息屏，信息屏选用LED 显示模块 16*16级联结构。基于所用的LED模块比较多，外围电路与扫描驱动的复杂程度，而且现在市面上的ARM7 价格也很廉价，性价比很高，所以本课题采用LPC2294 芯片作为主控制芯片。本课题的具体功能主要是对上级系统送过来的显示信息进行存储，处理，控制，与显示。根据这一定义可以将课题具体划分为通信模块，存储模块，控制模块，驱动模块，显示模块五部分，以下是本次设计的方块图：图 3.1 系统方块图3.2 芯片选型：ARM 控制模块：该模块主要由一块ARM7 的控制板组成，ARM7 芯片采用的是飞利浦公司生产的 LPC2294 芯片，它的主要作用是对存储器，信源与LED 显示模块之间的数据传输以及时序控制。通信模块：模块一采用RS-485 通信接口主要功能是接收上级信源发送过来所LED 点阵模块显示控制电路(含驱动电路)电源LED 显示模块通信模块2 上级系统ARM 控制模块存储器数据总线控制总线通信模块 1 精选学习资料 -名师归纳总结-第 16 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第17页要显示的信息。RS485协议是目前应用非常广泛的半双工串行通信协议。模块二可采用并行I/O 端口配合相应的扩张芯片进行数据传输。显示控制电路：该部分主要包括晶体管，电阻，相应的芯片组成。主要功能是负责LED 点阵的驱动和与 ARM 的接口。LED 点阵模块：该部分是由假设干的LED 显示单元 16 16级联而成，可组成共阴或共阳极结构。它接收ARM 的数据在相应的位置置高电平或低电平来点亮相应位置的 LED。电源模块：设计该电源模块的前提是认为外界已能提供+5V 直流电源，也就是说在该电源模块里不用再设计交流变直流的电源转换器。该模块主要由一些电压转换芯片和一些稳压芯片组成。它的主要功能是为系统的各模块提供合适的，稳定的电压供给。3.3 原理简介根据图 3-1 所示，上级系统经由通信模块1 向 ARM 控制芯片发送数据，ARM 芯片控制时序并将送过来的数据存入存储器中，这样可以保证以后信息的显示不用再要上位机的参与以节省资源，假设要改变现实的信息可以再通过上位机修改存储器中的数据再复位从新开始。显示环节不需要上级系统的参与，由ARM 控制芯片直接控制存储器与LED 显示模块之间的数据传输与时序控制，具体是 ARM 芯片根据具体情况将要显示的图文信息抓换成相应的二进制编码通过通信模块二发送给显示控制电路，再相应的位置置高低电平通过驱动电路点亮相应的LED 管以实现信息的显示。精选学习资料 -名师归纳总结-第 17 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第18页图 3-2 LED 点阵行驱动列扫描，具体来说可以逐行对LED 点阵的行进行置底电平再对各行输入数据信号，这样相应位置的LED 阴阳极之间加入正向电压使LED 点亮，图 3-2所示是由 20 片 CD4094，20 片 2803，40 片 4088B 及行选择器，电流驱动器等元器件构成。其中 CD4094 为 8 位移位/锁存/缓冲器，2803 为 8 路达林顿集电极开路输出电流驱动器。2088B 为 8*8 点阵共阳极 LED 动态显示模块。1-20片移位寄存器 4094首尾相连，实际上构成了一个容量为8*20=160 位的逻辑上完整且连续的移位寄存器。每四块 2088B组合成一个 16*16 点阵的显示单元可以显示一个汉字，整个电路有40 块 2088B可以同时显示 10 个汉字，或者 160*16 点阵的信息。4-16 译码器将来自 ARM 的十六进制的输出作为译码输入，并产生16 路译码输出信号Y0-Y15，这 16路信号经 16 路大功率晶体管进行电流放大，驱动连接显示的16条行线 L1-L16。假设显示屏要显示10 个汉字，首先，微机控制将每个汉字的头两个字节共20 个字节通过IC9 串行移位到本电路的IC5IC24 共 20 片移位寄存器中，由于20 片移位寄存器的三个控制端移位脉冲输入端 BYTECLK，数据锁存端 STB，缓冲器控制端E分别并联，因此它们是联动的。一方面，当 20 个字节移入到位后，令 STB 有效，将数据存入锁存器中，然后再令 E 有效，精选学习资料 -名师归纳总结-第 18 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第19页将数据从各自的并行输入端Q1-Q8 输出，直接作用到对应的显示模块2088B 的阴极输入端列选端。另一方面，微机控制电路中行选计数器的值为0000.经 4-16 译码器译码后，使得 Y0 有效，经电流驱动后选中L1为高电平，而其余 15 条行线 L2L16为无效低电平。由于这两方面的共同作用，汉字的第一行点阵信息便显示到屏幕的第一行，此时调用一个的 5ms的延时程序，目的是第一行信息持续一段时间，有一定的亮度。此后，又将10个汉字的第二行共20 个汉字点阵信息即每个汉字的第3 和第 4个字节移入 20 片移位寄存器中，将微机控制电路中行选计数器的计数加1，变为 0001，该值经译码驱动后选中第二条行线L2为高电平，因此，汉字的第二行点阵信息便显示到屏幕上的第二行。如此循环16 次，便可将一整屏共16 行信息依次分别在屏幕上显示一次，然而，经此一屏我们无法看到一个稳定的图画，上述动作需反复进行，假设能到达每秒显示刷新25屏以上的速度，我们就可以看到一个稳定，完整的画面了。精选学习资料 -名师归纳总结-第 19 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第20页在上一章的总体设计中，将本系统划分了ARM 控制模块，串口通信模块，LED 显示屏模块，以及电源与时钟模块等等。在本章中，将介绍各模块的硬件电路的设计，以及解释一下这样设计的原理。4.1 电源模块的设计电源模块为总个系统提供合适的电压与电流。其设计正确与否，关系到总个电路能否持续稳定的工作。因此电源模块是总个系统中基础而又重要的一环。电源设计实首先要能提供+5V 电源。但是 ARM 模块需要+3.3V 的直流电源，LED 显示屏除了需要+3.3V逻辑电压外，还需+12 伏的直流驱动电压。系统采用 5 伏电压管理芯片 LT1117+5，220 交流输入，5 伏直流输出。为了提供+3.3V的直流电压，采用的是+3.3 伏电压管理芯片 LT1117，+5 伏供电，+3.3 伏输出。图 4.1 是由交流 220 伏电压转换成 5 伏直流电压输出的简要原理框图：从上面的原理图不难理解，该原理图由两部分构成，前级电路的作用主要是整流，后一级电路的作用是稳压。精选学习资料 -名师归纳总结-第 20 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第21页上图的作用就是将+5 伏直流电压输入转换为+3.3伏直流输出，以便给 ARM 和 LED控制板提供合适的电源供给。图 4.3 是驱动 LED 点阵的电源设计原理图：图 4.3 12伏电压输出电路图下面是 MAX629 芯片各管脚的作用：精选学习资料 -名师归纳总结-第 21 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第22页表 4.1 MAX629 引脚说明此芯片的工作原理是：输入电压V IN可在 0.8|V OU T|之间选取,芯片的工作电压为 2.75.5V。对一般的单片机控制电路,供电主要电源电压为5V,因此在输出电压|V OU T|5V 的情况下,可将 VCC与 V IN同时接到 5V 电源上,如图 1 中虚线所示。二极管采用 1N5819 或 MBR0540L 肖特基二极管,电感采用典型值 47H,应注意增大电感将减小流过的峰值电流,从而降低输出电流;而减小电感,又将增大流过的峰值电流导致内部电流比较器延时。输出电压 V OU T由 R1,R2 确定:12()1outREFVVRR(1)式(1)中REFV=1.25V,可见输出电压outV只与 R1、R2 有关,只需选定 R1、R2 的阻值,即可确定输最后从该电路输出的是稳定的12伏直流电压。4.2 ARM 模块的设计由于飞利浦公司的LPC2294 集成了非常丰富的外围接口电路，所以本模块的设计精选学习资料 -名师归纳总结-第 22 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第23页基本上只涉及 ARM 处理器各引脚的设置。图 4.4 ARM 复位电路图 4.5 系统的时钟电路设计在本系统中给 ARM 设计的晶振频率是。下面介绍一下 ARM 各功能管脚的作用，限于篇幅，这里只对本文中用到的管脚和几个常用的管脚作介绍。精选学习资料 -名师归纳总结-第 23 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第24页表 4.2 LPC2214 管脚描述精选学习资料 -名师归纳总结-第 24 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第25页4.3 串口模块的设计串口模块是本设计的一个重点模块，它负责 ARM 模块与 LED 模块之间的信息通信。硬件电路是否设计得当关系到二者通信质量的好坏。本串口通信协议采用RS485串口协议。在本模块中采用的RS485接口芯片是 SIPEX 公司的 SP481E。该芯片的主要特点是：单一的+5V 电源低功耗 BiCMOS 工艺制造发送器/接收器可使能多分支结构Mutli-Drop 配置低功耗关断模式 SP481E 增强型 ESD 标准：SP481E的管脚功能介绍。图 4.6 SP481E的引脚和管脚功能介绍SP481E功能分析：SP481E是半双工差分收发器，完全满足RS-485 和 RS-422 的要求。它们由Sipex特有的 BiCMOS 工艺制造而成。RS-485 标准理想地用于多分支multi-drop应用和远程接口中。它允许在一条数据线上连接32 个发送器和接收器，非常适合于多分支应用。由于允许使用 4000 英尺长的电缆，RS-485 收发器可以使用一个宽 7V+12V共模方式范围来调整零电位偏差。因为RS-485 是一个差分接口，所以传输数据时完全精选学习资料 -名师归纳总结-第 25 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第26页可以抑制来自发送线的干扰。SP481E 和 SP485E 的输出是差分输出，满足RS-485 和 RS-422 标准。空载时输出电压的范围为0V+5V。即使在差分输出连接了54负载的条件下，发送器仍可保证输出电压大于 1.5V。SP481E 和 SP485E 有一根使能控制线 高电平有效。DE Pin3上的逻辑高电平将使能发送器的差分输出。如果DEPin3为低，则发送器输出呈现三态。SP481发送器的数据传输速率至少为10Mbps。表 4.3 SP481发送功能真值表SP481E 和 SP485E 接收器的输入是差分输入，输入灵敏度可低至 200mV。接收器的输入电阻通常为15k最小为 12k。7V+12V 的宽共模方式范围允许系统之间大的零电位偏差的存在。SP481E 和 SP485E 的接收器有一个三态使能脚。如果REPin2为低，接收器使能，反之接收器禁止。SP481E 接收器的数据传输速率至少为10Mbps。两者的接收器都有故障自动保护fail-safe特性，该特性可以使得输出在输入悬空时为高电平状态。精选学习资料 -名师归纳总结-第 26 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第27页表 4.4 SP481接收功能真值表RS485通信的时序图图 4.7 RS485通信串行通讯数据帧格式RS-485 接口电路的主要功能是：将来自微处理器的发送信号TX 通过“发送器”转换成通讯网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RX 信号。任一时刻，RS-485 收发器只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一，因此，必须为RS-485 接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。图 4.8 串口模块部分的主要电路图精选学习资料 -名师归纳总结-第 27 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第28页4.4 LED 屏控制模块LED 模块系统中独立性比较强的一个模块，LED 点阵的驱动显示主要是靠LED 模块中自带的 LED 控制器来完成，它只与与ARM 的 UART 口进行通信，当它收到上位机的命令后，直接调用存储器内的相关程序驱动LED 点阵。它只和外部的串口模块有连接。图 4.9 为 LED 模块与串口的连接示意图：图 4.9 LED 模块与串口连接示意图精选学习资料 -名师归纳总结-第 28 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第29页图 4.10 接口电路示意图精选学习资料 -名师归纳总结-第 29 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第30页5 系统的软件设计本章主要是软件系统的设计，软件的设计主要包括对串口的控制，以及 ARM 主控程序的设计。由于本系统选用的LED 屏自带了非常完备的底层驱动程序，故本系统只需编写一些上位机的控制软件。5.1 ARM ADS 集成开发环境的介绍ARM ADS 全称为 ARM DEVELOPER SUITE，是 ARM 公司推出的新一代ARM 集成开发工具。现在 ADS 的最新版本是 1.2。ADS 由命令行开发工具，ARM 实时库，GUI开发环境 Code Warrior 和 AXD，实用程序和支持软件组成。下面介绍一下本系统开发时要用到的 Code Warrior和 AXD。CodeWarrior for ARM 是一套完整的集成开发工具，充分发挥了 ARM RISC 的优势,使产品开发人员能够很好的应用尖端的片上系统技术。该工具是专为基于ARM RISC 的处理器而设计的,它可加速并简化嵌入式开发过程中的每一个环节，使得开发人员只需通过一个集成软件开发环境就能研制出ARM 产品，在整个开发周期中,开发人员无需离开 CodeWarrior 开发环境,因此节省了在操做工具上花的时间,使得开发人员有更多的精力投入到代码编写上来。CodeWarrior 集成开发环境(IDE)为管理和开发项目提供了简单多样化的图形用户界面。用户可以使用ADS 的 CodeWarrior IDE 为 ARM 和 Thumb 处理器开发用 C，C+，或 ARM 汇编语言的程序代码。通过提供下面的功能，CodeWarrior IDE 缩短了用户开发项目代码的周期。1.全面的项目管理功能。2.子函数的代码导航功能，使得用户迅速找到程序中的子函数。可以在 CodeWarrior IDE 为 ARM 配置在中介绍的各种命令工具，实现对工程代码的编译，汇编和链接。在 CodeWarrior IDE 中所涉及到的 target有两种不同的语义。目标系统(Target system)是特指代码要运行的环境，是基于ARM 的硬件。比方，要为 ARM 开发板上编写要运行在它上面的程序，这个开发板就是目标系统。精选学习资料 -名师归纳总结-第 30 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第31页生成目标(Build target)是指用于生成特定的目标文件的选项设置(包括汇编选项，编译选项，链接选项以及链接后的处理选项)和所用的文件的集合。CodeWarrior IDE 能够让用户将源代码文件，库文件还有其他相关的文件以及配置设置等放在一个工程中。每个工程可以创建和管理生成目标设置的多个配置。例如，要编译一个包含调试信息的生成目标和一个基于ARM7TDMI 的硬件优化生成目标，生成目标可以在同一个工程中共享文件，同时使用各自的设置。ADS 的 CodeWarrior IDE 是基于 Metrowerks CodeWarrior IDE 4.2 版本的。它经过适当的裁剪以支持 ADS 工具链。针对 ARM 的配置面板为用户提供了在CodeWarrior IDE 集成环境下配置各种ARM开发工具的能力，这样用户可以不用在命令控制台下就能够使用在和将在8.1.4 中介绍的各种命令。以 ARM 为目标平台的工程创建向导，可以使用户以此为基础，快速创建ARM 和Thumb 工程。由于 ARM 调试器(AXD)没有集成在 CodeWarrior IDE 中，这就意味着，用户不能在CodeWarrior IDE 中进行断点调试和查看变量。所以在调试的时候将用到AXD 软件，在用这个软件调试时要用到ARM 仿真器，在调试时可以很方便的控制程序的运行和查看变量。它提供对 ARM 处理器的指令集的仿真，为ARM 和 Thumb 提供精确的模拟。用户可以在硬件尚未做好的情况下，开发程序代码。图 5.1 本实验系统 ARM 程序的工程文件截图精选学习资料 -名师归纳总结-第 31 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第32页5.2 软件的控制流程分析握手信号的流程与通信数据帧格式通讯开始上下位机都处于通讯就绪状态。首先ARM 发送帧头，帧头携带通讯模式屏号等信息，LS-L 接收到帧头后，根据条件判断是否接收数据，假设不符合，立即返回主程序；假设符合，则接收数据，并且返回信息。握手通讯过程说明如下：1上位机发送握手帧头信息2 个字节屏号；2下位机接收帧头后，返回屏号；3上位机接收到返回的屏号后，开始发送正式数据，发送完毕后等待返回成功信息；4下位机接收数据成功后，返回屏号，表示成功。通用格式如下：屏号操作码数据长度操作数帧尾说明:屏号:LED 屏号帧头(1 byte)操作码:见操作码编号表(1 byte)数据长度:发送的操作数据长度当下载数据时页数Pages(1 bytes)操作数据:ARM 下发的数据(n bytes)帧尾:0XFF(1 byte)操作码编号表：操作码意义0XD6 下载数据 16点阵字库方式0XD7 下载字幕 16 点阵字库方式加载数据的具体格式：1.0XD6:下载数据数据段名称意义LED_Number 1 byte HEX 帧头屏号精选学习资料 -名师归纳总结-第 32 页，共 40 页湖 南 大 学毕 业 设 计(论文)第33页Operate_Code 1 byte HEX 操作码(0XD6)Area_Mode 1 byte HEX 区域类型(0XC0)Saved 1 byte HEX 保留字节Area_Beginrow 2 bytes HEX 区域起始横向坐标Area_Beginlen 2 bytes HEX 区域起始纵向坐标Area_Endrow 2 bytes HEX 区域结束横向坐标Area_Endlen 2 bytes HEX 区域结束纵向坐标Operate_Bytes HEX 数据长度Display_ Mode x bytes HEX 显示方式Display_Data x bytes HEX 显示数据Frame_End 1 byte HEX 帧尾 0 xAA 表 5.1 下载数据格式说明：区域类型(1 Byte)：主区为 0 x04 显示方式 4 Bytes：进入方式 DisplayStyle：0：表示随机状态 1-39：表示相应的进入方式退出方式ExitDisplay 保留，默认为 0。运行速度 DisplayTime：0-15 分 16 个等级级别越大处理时间越长，运行速度越慢；当为0 时，速度最快。显示时间 Displa