大屏幕LED顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
趙才榮1,2,丁鐵夫1,鄭喜鳳1,劉高霞1,2
(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長春 130033,E2mail:zhaocairong@126.com;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100039)
摘 要:根據(jù)LED顯示模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED屏的動(dòng)態(tài)掃描顯示,設(shè)計(jì)了一種大屏幕LED顯示控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以DSP芯片TMS320LF2407為控制核心,完成與PC機(jī)的通訊;在可編程邏輯器件EP1K30輔助下,同時(shí)完成數(shù)據(jù)存儲與更新、顯示畫面的刷新、動(dòng)畫處理、循環(huán)顯示等。利用VisualC++,編寫了上位機(jī)的用戶界面程序以及與下位機(jī)的串行通信程序。該系統(tǒng)能脫機(jī)和連續(xù)長期運(yùn)行,成本較低。
關(guān) 鍵 詞:LED顯示;動(dòng)態(tài)掃描顯示;串口通信
1 引 言
近年來,平板顯示(FPD)技術(shù)不斷進(jìn)步,LCD、PDP以及LED等顯示技術(shù)頻頻亮相于各媒體。其中,LCD呼聲極高而且市場機(jī)制較為成熟。盡管如此,業(yè)界依然沒有放棄對于新興技術(shù)的探索和關(guān)注,作為后起之秀的LED顯示技術(shù)則依靠其獨(dú)特的低功耗、高亮度、長壽命等優(yōu)勢而倍受業(yè)界關(guān)注。大屏幕LED顯示屏現(xiàn)已廣泛用于體育場館、機(jī)場、車站等場所,用以顯示文字、圖形、動(dòng)畫及動(dòng)態(tài)視頻影像等多媒體信息[1]。該LED顯示屏控制系統(tǒng)顯示信息時(shí),不經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合和格式的轉(zhuǎn)換,顯示部分直接從顯示緩沖區(qū)中讀取已存放好的信息,當(dāng)需要更新時(shí),數(shù)據(jù)采集部分再向顯示部分發(fā)送新數(shù)據(jù)。本文利用數(shù)據(jù)采集,高速數(shù)據(jù)存儲、處理的技術(shù)和方法,采用大容量閃速存儲器和通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和更新,設(shè)計(jì)了一種大屏幕LED顯示控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)的組成和工作原理
目前FPGA/CPLD芯片內(nèi)部的資源越來越多,速度越來越快,開發(fā)的軟件功能也更加完善,使其應(yīng)用逐步擴(kuò)大。人們普遍認(rèn)為,今后的許多電子系統(tǒng),將以CPU+RAM+CPLD/FPGA的結(jié)構(gòu)為特征,我們采用的就是這樣結(jié)構(gòu)的DSP+RAM+PLD來設(shè)計(jì)脫機(jī)LED顯示控制系統(tǒng)。它主要由控制系統(tǒng)和顯示屏兩部分組成,顯示屏又主要由若干個(gè)LED顯示驅(qū)動(dòng)模塊拼接而成,屏體設(shè)計(jì)時(shí),盡量要選擇相同的電路,避免由電路參數(shù)不同影響顯示效果[2]。顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造對整個(gè)LED大屏幕顯示系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響和作用。結(jié)合LED大屏幕顯示的基本原理,該系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。通信模塊和信息存儲器主要完成顯示信息的存儲和更新;漢字庫用于存儲各種字體的國標(biāo)漢字,采用查表的方式調(diào)用需要顯示的漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)/程序存儲器用于數(shù)據(jù)緩存以及系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的程序存儲;可編程邏輯器件產(chǎn)生顯示控制邏輯、訪問顯示緩沖區(qū)的讀寫控制邏輯以及各個(gè)模塊之間進(jìn)行切換的控制邏輯,將顯示數(shù)據(jù)從顯示存儲器內(nèi)讀出并寫入相應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。從PLD出來的RGB串行數(shù)據(jù)流若直接送LED顯示屏,則速率太高而使得無法處理,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),利用移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16路并行數(shù)據(jù)在硬件上比較容易實(shí)現(xiàn)。
3 具體硬件設(shè)計(jì)方案
3.1 CPU選型
在設(shè)計(jì)過程中考慮了兩種CPU。第一種是ATMEL公司生產(chǎn)的89C55:它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低,缺點(diǎn)就是通用I/O口少,速度不夠快,給后期的軟件設(shè)計(jì)帶來比較大的壓力;第二種是TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407,它的特點(diǎn)具體如下:
(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗;30MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到33ns(30MHz),從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。
(2)片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器,高達(dá)2.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。
(3)可擴(kuò)展的外部存儲器(LF2407)總共192K字空間:64K字程序存儲器空間、64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器空間和64K字I/O尋址空間。
(4)串行通信接口(SCI)模塊。
(5)高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。
綜合上述特點(diǎn),TMS320LF2407A運(yùn)算速度快,可以實(shí)時(shí)進(jìn)行各種數(shù)字信號處理算法,比較適合脫機(jī)LED顯示控制系統(tǒng)的CPU在運(yùn)行過程中要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)搬移的特點(diǎn),也為后期軟件編程留下了較大的時(shí)間空間;TMS320LF2407有著豐富的外設(shè)資源,可以大大簡化外圍電路中的擴(kuò)展部分,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度,所以選定TMS3202LF2407A為該系統(tǒng)的CPU。3.2 總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主要由以下5個(gè)模塊組成:主控模塊、時(shí)序控制模塊、存儲器模塊、電源模塊以及通信模塊。主控模塊的核心器件是TI公司的TMS3202LF2407;時(shí)序控制電路模塊的核心器件是AL2TERA公司的PLDEP1K30,除產(chǎn)生LED顯示需要的時(shí)序外,在內(nèi)部還實(shí)現(xiàn)了頁選地址的鎖存,產(chǎn)生FLASH、RAM的片選以及對本地電路的使能等控制邏輯;存儲器模塊分為4部分:程序、數(shù)據(jù)存儲器,漢字庫存儲器,顯示緩存和顯示信息儲存器,主要器件是AM29F016D和RAM;通信模塊主要器件為ALTERA公司的MAX232,通過異步串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和更新。脫機(jī)LED大屏幕顯示控制系統(tǒng)的硬件接口電路如圖2所示。
3.2.1 電源模塊的設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)中,TMS320LF2407與EP1K30都要求3.3V和2.5V供電。利用TPS76325為芯片提供穩(wěn)定高質(zhì)量的2.5V電壓;TPS7333Q為低壓差線性穩(wěn)壓電路,有較高的電源噪聲抑制能力,采用它一方面為芯片提供3.3V供電電壓,另一方面相當(dāng)于一個(gè)電子有源濾波器,可以提供較高的供電質(zhì)量。對于電源退藕電容并非容量越大越好[3],容量較大的電解電容提供電壓穩(wěn)定作用,小電容提供電路的瞬時(shí)供電響應(yīng)。電解電容體積較大,但也應(yīng)該盡量靠近芯片相應(yīng)的電源引腳;10～100nF小容量退藕電容放置在芯片的引腳下面,經(jīng)過孔到電路板背面,盡量縮短連接長度。在線路板空間允許的情況下盡量多地并排放置一些退藕電容,同時(shí)電源濾波電感應(yīng)盡量遠(yuǎn)離芯片放置。
3.2.2 通信模塊設(shè)計(jì)
TMS320LF2407A提供了串行通訊接口SCI模塊,支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。通過ALTERA公司MAX232芯片的電平轉(zhuǎn)換,就可以同PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上數(shù)據(jù)的存儲和更新。
SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的,每一個(gè)都有它自己單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位,兩者都可獨(dú)立工作,或者在全雙工的方式下同時(shí)工作[4]。SCI模塊通過SCIRXD引腳接收數(shù)據(jù),通過SCITXD引腳發(fā)送數(shù)據(jù),在不使用SCI模塊的時(shí)候,這兩個(gè)引腳可以被配置為通用I/O口。為確保數(shù)據(jù)的完整,SCI對接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷檢測、奇偶校驗(yàn)、超時(shí)和幀出錯(cuò)校驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)串行通訊,首先需要在DSP主程序中對SCI的控制寄存器進(jìn)行正確的初始化。本系統(tǒng)為單機(jī)通信,采用空閑線多處理器模式,不使用SLEEP位;數(shù)據(jù)在定時(shí)器中斷子程序中發(fā)送,在SCI接收中斷子程序中接收數(shù)據(jù);采用的通訊格式為9600波特率,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校驗(yàn)。
3.2.3 顯示控制模塊設(shè)計(jì)
3.2.3.1 顯示控制電路的組成及工作原理
顯示控制電路是脫機(jī)LED顯示控制系統(tǒng)中的重要組成部分,顯示控制邏輯電路產(chǎn)生訪問顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的地址和讀寫控制信號,讀出顯示數(shù)據(jù)經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)部分送LED顯示屏顯示。它主要由計(jì)數(shù)器、讀/寫地址產(chǎn)生器、讀/寫地址選擇器、讀/寫信號產(chǎn)生器、讀/寫選擇器、同步控制器、移位鎖存器等組成。
預(yù)期驅(qū)動(dòng)的LED顯示屏最大為258行×1024列的室內(nèi)顯示屏。針對LED顯示屏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),掃描電路采用逐行輸出數(shù)據(jù)和逐行選通顯示的過程,稱為行掃描。由于大屏結(jié)構(gòu)復(fù)雜,顯示速度較高,為了便于大屏的控制,將整個(gè)大屏分成若干掃描單元。根據(jù)設(shè)計(jì)的LED顯示屏每個(gè)周期掃描8行的掃描方式,以8行×1024列為一個(gè)掃描單元,整屏共有258/8=16個(gè)掃描單元。在統(tǒng)一的時(shí)序控制下,每個(gè)掃描單元獨(dú)立完成LED的掃描顯示,各個(gè)單元的掃描同步完成。為了設(shè)計(jì)的方便,我們把兩個(gè)掃描單元看成一個(gè)單元,同步信號中只要把行掃描信號改成四位即可,通過LED模塊的38譯碼器轉(zhuǎn)換乘16個(gè)行掃描信號。掃描顯示的控制時(shí)序如圖3所示[5]。
3.2.3.2 顯示控制電路的實(shí)現(xiàn)
其電路原理圖如圖4所示。在圖中,DSP能提供16位數(shù)據(jù)線、16位地址線,通用的I/O口信號作為控制信號。寫地址產(chǎn)生器產(chǎn)生寫顯示存儲器的寫入地址[6],讀地址產(chǎn)生器產(chǎn)生存儲器的讀出地址,根據(jù)讀寫轉(zhuǎn)換開關(guān)中的地址選擇器、讀寫信號產(chǎn)生器、讀寫選擇器來決定是把寫數(shù)據(jù)及寫地址同存儲器連接還是把讀數(shù)據(jù)及讀地址同存儲器連接。考慮到該屏用于文字顯示居多,顯示控制電路設(shè)計(jì)成無灰度顯示模式。數(shù)據(jù)按時(shí)序?qū)懭腼@示存儲器,系統(tǒng)采用的晶振為40MHz,移位頻率為40MHz/2=20MHz,讀出的紅、綠兩條的串行數(shù)據(jù)流速度高達(dá)20Mbit/s,若串行數(shù)據(jù)流直接送往顯示屏,則速率太高而使得無法處理。根據(jù)大屏采用的8行掃描方式,整個(gè)大屏分為16個(gè)掃描單元,串行數(shù)據(jù)流通過移位鎖存器實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換,這樣處理的數(shù)據(jù)速率為20/16=1.25Mbit/s,可供掃描顯示用。需要注意的是[7]:當(dāng)時(shí)序?qū)懭腼@示存儲器后,不能按原地址順序讀出。要控制讀出時(shí)序,讓地址跳動(dòng)地讀出數(shù)據(jù),即讀出順序?yàn)榈?/span>1掃描單元的第1個(gè)字節(jié),第2個(gè)單元的第1字節(jié),……,第16個(gè)單元的第1個(gè)字節(jié);再讀出1～16單元的第2個(gè)字節(jié);然后讀出1～16單元的第3個(gè)字節(jié);按此順序讀出,直至讀完為止,這些操作都由讀地址產(chǎn)生器完成。同步控制器同時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘信號、鎖存信號及行掃描信號。顯示驅(qū)動(dòng)部分一般選用串行移位數(shù)字器件,由于每個(gè)LED顯示屏體由若干個(gè)模塊組成,本系統(tǒng)中屏體的模塊為16行×64列,模塊之間信號級聯(lián)。每個(gè)模塊行驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)驅(qū)動(dòng)64列的LED發(fā)光器件[8],按每個(gè)LED器件電流20mA計(jì)算,64個(gè)LED同時(shí)發(fā)光時(shí)就需要64×20=1280mA的驅(qū)動(dòng)電流。因此需要用功率管驅(qū)動(dòng),如TP122。
4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
考慮到硬件驅(qū)動(dòng)程序的效率和開發(fā)周期,用C語言作為開發(fā)工具。硬件驅(qū)動(dòng)程序主要分3類:(1)串行通信程序;(2)對閃速存儲器的操作程序;(3)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示程序,這是硬件驅(qū)動(dòng)程序的主要部分。畫面的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理即顯示方式以子程序方式編寫,有多少種顯示方式即有多少個(gè)顯示子程序。顯示方式具體有畫面左移、上移、開幕、覆蓋、閃爍等十幾種顯示方式。下面僅以最常見的上移顯示為例來具體說明。為便于說明,我們將畫面顯示數(shù)據(jù)處理RAM暫存區(qū)形象直觀化,并按屏面信息字節(jié)數(shù)劃出等同的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)作為畫面顯示數(shù)據(jù)處理暫存區(qū),即雙信暫存區(qū)。每區(qū)劃分成N行、n列。程序開始先將畫面數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)按要求順序傳送到Ⅰ區(qū),并置Ⅱ區(qū)RAM為全“0”(即清顯示)。將Ⅰ區(qū)第1行數(shù)據(jù)傳送至Ⅱ區(qū)第N行,然后將Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)按一定順序(即完成畫面刷新要求的數(shù)據(jù)順序)傳至RAM顯示緩沖區(qū)送顯。之后,將Ⅰ區(qū)第1行傳至Ⅱ區(qū)第(N-1)行,Ⅰ區(qū)第2行傳至Ⅱ區(qū)第N行,然后將Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)按一定順序傳至顯示緩沖區(qū)送顯。依此類推,便形成屏幕上移的動(dòng)態(tài)效果顯示。
4.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
應(yīng)用程序要實(shí)現(xiàn)連接功能,一是提供用戶界面并接收用戶輸入的指令,二是與底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的通信,為此用VisualC++作為應(yīng)用程序的開發(fā)工具。通信程序編寫使用MSComm(Mi2crosoftCommunicationsControl)控件,是Mi2crosoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程ActiveX控件。MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù),為應(yīng)用程序提供串行通訊功能[4]。MSComm控件在串口編程時(shí)非常方便。MSComm控件是事件驅(qū)動(dòng)的,在許多情況下,在事件發(fā)生時(shí)需要得到通知。在編程過程中,可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼,OnComm事件還可以檢查和處理通訊錯(cuò)誤,對OnComm消息的處理如圖5所示,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時(shí),可靠性高。每個(gè)MSComm控件對應(yīng)著一個(gè)串行端口。如果應(yīng)用程序需要訪問多個(gè)串行端口,必須使用多MSComm控件。MSComm控件的行為是由其各種屬性決定的。
在VC++中可以通過一系列的成員函數(shù)設(shè)置這些屬性,從而控制串行口的數(shù)據(jù)格式、波特率等特征。必須注意的是:在VC++中,MSComm是作為CWND類的派生類出現(xiàn)的,在系統(tǒng)初始化時(shí)必須創(chuàng)建這個(gè)窗口,并使用成員函數(shù)設(shè)置其屬性,使它和下位機(jī)使用相同的通訊格式,否則是不能建立正確的串行通訊的.
5 結(jié) 語
通過硬件設(shè)計(jì)和軟件的輔助設(shè)計(jì),該控制系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)LED顯示屏的脫機(jī)圖文顯示,基本顯示效果初步實(shí)現(xiàn),但就豐富顯示效果、上位機(jī)的用戶界面人性化等細(xì)節(jié)方面需進(jìn)一步研究和完善。如室外顯示屏,只要對系統(tǒng)中顯示控制部分稍微改動(dòng)即可應(yīng)用。在改用隔行掃描動(dòng)態(tài)顯示方式,LED顯示模塊做相應(yīng)的簡單改動(dòng)前提下,該系統(tǒng)成功地用于高速公路上的室外脫機(jī)LED顯示屏,基本上取得了預(yù)期效果。