摘 要：介紹一種應用于實際工業生產現場中的大型LED顯示系統的設計和研制。該系統采用高性能32位ARM微處理器為其控制核心，并由其實現LED顯示屏刷新及動態顯示效果的控制。系統通過RS485協議與現場總線進行數據通信，LED顯示屏的行、列驅動信號分別由ARM處理器的2個SPI口輸出。該系統具有硬件結構簡單、LED顯示刷新速度快、系統可靠、功能強大、成本適宜等特點。本方案經過在某大型物流生產線上的長期實際運行，證明其設計是成功的。
關鍵詞：LED顯示系統 ARM微處理器 SPI
引 言：
最近，筆者在某工廠大型生產線上基于現場總線的物流呼叫系統項目中發現，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LED顯示屏控制圖1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
該系統的硬件組成框圖如圖1所示。圖1中,微處理器是Atmel公司生產的AT91M42800A，它采用基于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，具體的接口電路如圖2所示。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Hynix公司生產的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[1]。
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，足夠驅動發光二極管發光。列驅動電路由Allegro公司的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如圖2所示，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，請查閱Atmel和Allegro公司的相關產品文檔[2，3]。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。
圖2 485接口電路、A6B595和A6276級聯電路原理圖
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LED屏顯示驅動信號，再加入相應的動態顯示效果控制程序（畫面左移、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
本系統的軟件采用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 本系統的優點
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 LED顯示系統，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，本系統有一定的應用價值。經過在某大型物流生產線上的長期實際運行，證明其設計方案是
參考文獻
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3 Atmel Corp. AT91M42800A Series ARM Thumb Microcontrollers Datasheet. 2002
4 張華，樊慶文，候力.基于工業以太網的大屏幕LED顯示系統.機電產品開發與創新,2004.17(2):28~30
5 李駒光，張華，李眾立.AVR高速單片機LED顯示系統.電子技術,2002(5)
6 杜春雷.ARM體系結構與編程.北京:清華大學出版社,2003
