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湖南LED显示屏单片机系统设计

2020-11-30

由于所需要显示的信息流比较大,用现有的基于AT89C51芯片组成的 LED显示屏控制系统,由于受到微处理器的处理速度、体系架构、寻址范围、外围接口资源等诸多限制,已难以在要求显示较多像素、显示内容帧频较高、动态显示效果复杂的情况下,得到良好的动态视觉效果。针对以上情况,在利用现有资源的基础上,重新设计和研制了一种全新的,由32位高性能ARM微处理器组成的湖南LED显示屏控制系统的硬件结构框图系统,并通过RS485接口与现场总线中的上位机进行实时数据通信,实现整个系统的信息显示。

1 系统硬件结构

该系统的硬件组成基于ARM7TDMI内核的高性能32位RISC架构的处理器,有着丰富的外围接口资源。AT91M42800A有2个USART外围接口,系统用USART0口和MAX485组成485接口电路,具体的接口电路,AT91M42800A还有2个SPI口,每个SPI口有4根片选信号,通过片选均可以支持外接15个设备。该系统的做法是将2个SPI口分别接到列驱动电路和行驱动电路上,并利用各自的2个片选信号CS0和CS1完成驱动电路的信号锁存和允许输出控制,SPI的CLK输出作为驱动电路的时钟信号输入,工作频率为4 MHz。

SRAM接口电路由2块HY57V641620芯片并联组成,HY57V641620是4 Banks×1M×16位的SDRAM芯片,单片HY57V641620存储容量为4组×16 M位(8 MB),支持自动刷新,16位数据宽度。为充分发挥32位CPU的数据处理能力,系统用2块8 ns的HY57V641620组成32位SDRAM存储器系统。Flash存储器接口电路由1块HY29LV160芯片组成。HY57V641620是Flash存储器芯片,单片存储容量为16 M图2485接口电路、A6B595和A6276级联电路原理图位(2 MB),8/16位数据宽度,本系统采用16位数据宽度的工作方式。具体的电路连接可参阅参考文献。

行驱动电路由Allegro公司的36片A6B595级联组成,显示屏背面每行数据线由串入并出移位寄存器A6B595级联而成,A6B595片内集成有MOS管构成的驱动器,发光二极管足够驱动发光。列驱动电路由24片A6276级联组成,A6276是16位带锁存的串入并出移位LED驱动芯片。A6B595和A6276级联时引脚和联接方法,电路都较为简单(其中带端口框标的为AT91M42800A的相应引脚)。其他详细的性能资料,。AT91M42800A的SPI口均采用16位串行输出工作方式,利用32位ARM处理器的高速性能,能够充分提高数据传输速度。

2 工作原理

该系统与上位机的通信由AT91M42800A的USART0口与485接口电路完成,上位机仅需将要显示的数据,传送至AT91M42800A即可。开机后,AT91M42800A初始化,读入启动代码后,将保存在Flash存储器内的程序代码和所要显示的字模数据,重映射到SDRAM中,使得系统的数据存取全部在高速SDRAM中完成。在接收到上位机的数据后,AT91M42800A将要显示的数据,转换成相对应的显示驱动信号,再加入相应的动态显示效果控制程序(画面左移 LED屏、上移、开幕、覆盖、闪烁和直显等)后,用SPI口分别输出给行、列驱动电路。同时,若有需要,上位机所传来的数据或图像画面,也可以保存在Flash存储器中。

显示屏采用1/16动态逐次行扫描方式,先将SPIA端口中的24个字节数据依此串行移入对应的24个A6276列驱动电路,并锁存。接着,SPIB端口再将一行行选通信号串行移入行驱动电路,完成一行的LED显示。然后依理,逐次的显示LED屏的各行。

二极管亮灭时间的占空比可用软件进行设定,以选取合适亮度,提高发光二极管的使用寿命。在现场实际安装的LED显示屏,有效显示面积约为4.6 m2,共有288×384=110 592个像素,满帧刷新时间最短可小于8 ms,换帧频率125 Hz以上,比传统的用单片机组成的显示系统提高了10倍以上的帧频,保证了动态显示时的视觉效果。同时,在相同的条件下,还可以使得实际可视像素点增多。

3 软件部分简述

系统的软件采用μC/OSII操作系统,使得系统具有强大的多任务管理、定时器管理、中断管理、存储管理等功能,通过对相关寄存器的实时监控,可以大大提高系统的稳定性,这些是以往用单片机和部分DSP处理器所无法实现的。

显示应用程序采用定时器中断方法,通过设置合适的进入中断时间常数,即可以得到高于40 Hz的LED刷新帧频,使人眼得到稳定的动态视觉效果。

画面的实时动态处理,即各种动态显示方式均以子程序形式编写,每种显示方式都是独立的子程序。具体的动态显示方式有:画面左、右移,上、下移,拉幕,覆盖,闪烁,直显等多种方式。

4 、系统的优点

① 使用高性能32位RISC架构的ARM微处理器,硬件上克服了传统8/16位单片机在处理能力、系统架构、寻址范围和外围接口能力上的不足;软件上使用实时多任务操作系统,使系统的管理功能强大,可进行实时监控,实现复杂的程序控制,程序的开发和扩展也很方便。和以往单片机组成的类似系统相比,本系统的软件稳定性和可靠性都得到了很大提高。

② 该系统省去了传统做法中LED显示部分的总线驱动和译码电路,不像其他一些单片机系统,为提高显示速度而采用多处理器,使用双端口RAM,或是采用将LED屏分为多块的方案。系统使用AT91M42800A的SPI接口直接实现LED显示逻辑驱动,不仅电路简单,并且简化了软件的相关编程,节省了MCU的GPIO硬件资源。

③ AT91M42800A的SPI接口可以采用16位传输方式,配以A6276高速的16位专用LED驱动芯片,使得LED的显示刷屏速度比传统的单片机有了极大提高。

结语

由32位嵌入式 RISC微处理器组成的大屏幕湖南 LED显示屏系统,与传统的基于 8/16位单片机的 LED显示系统相比,在不显著增加系统成本的情况下,性能有了极大提高。而与采用DVI接口方式的显示系统相比,省去了视频处理的相关电路,又具有硬件结构简单、成本低廉等优势。采用本设计方案,可节省单片机的端口资源,有效简化显示屏的电路结构,提高了整个显示系统的可靠性。在单色视频、动画、文字等LED信息显示方面。