基于ARM嵌入式系统的LED点阵屏设计

液　晶　与　显　示

ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｕｉｄＣｒｓｔａｌｓａｎｄＤｉｓｌａｓ　　　　　　ｑｙｐｙ

Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．５，Ｏｃｔ．２０１０

（）文章编号：１００７２７８０２０１００５０７４３０４－－－基于ＡＲＭ嵌入式系统的ＬＥＤ点阵屏设计

葛　超，张景春，孙艳彬，孙丽英，朱　艺

（：）河北理工大学信息学院，河北唐山０６３００９，Ｅ－ｍａｉｌｅｃｈａｏ３６５＠ｈｅｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎｇ

摘　要：传统Ｌ这些微处理器系统的运行速度慢、寻址能ＥＤ点阵屏控制系统常常采用８位或ｌ６位的控制器，力低、功耗高，难以满足显示区域较大时刷新频率和稳定显示等方面的要求。针对上述问题，提出了一种基于ＡＲＭ嵌入式的大型ＬＥＤ点阵屏显示系统设计方案。该系统使用ＡＲＭ芯片内部的ＤＭＡ控制器进行数据的传输和控制，节省了处理器取指和译指时间，从而能够在连续的读写操作中完成数据的传输，提高了数据传输的速度和效率。

关　键　词：ＡＲＭ；ＬＥＤ；ＤＭＡ；并行总线中图分类号：ＴＰ３６８　　　文献标识码：Ａ

ＤｅｓｉｎｏｆＬＥＤＬａｔｔｉｃｅＳｃｒｅｅｎＢａｓｅｄｏｎＡＲＭ　ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｓｔｅｍ　　　　　　　　ｇｙ

，，，，ＧＥＣｈａｏＺＨＡＮＧＪｉｎｃｈｕｎＳＵＮ　ＹａｎｂｉｎＳＵＮＬｉｉｎＺＨＵ　Ｙｉ　　－－　－ｙｇｇ

（ＣｏｌｌｅｅｏＩｎｏｒｍａｔｉｏｎ，ＨｅｂｅｉＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔＴａｎｓｈａｎ　０６３００９，Ｃｈｉｎａ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｃｈａｏ３６５＠ｈｅｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ）　　　ｇｆｆｙｙ，ｇｇ　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｓｔｅｍｏｆＬＥＤｌａｔｔｉｃｅｓｃｒｅｅｎｏｆｔｅｎｕｓｅｓ８ｂｉｔｏｒｌ６ｂｉｔｃｏｎ　　　　　　　　　　　　　－ｙｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌａｒｅｒａｒｅａｄｉｓｌａａｎｄｓｔａｂｌｅｒｅｆｒｅｓｈｒａｔｅ　　　　　　　　　　　　　ｑｇｐｙ　

，ｏｆｉｔｓｓｌｏｗｏｅｒａｔｉｏｎｌｏｗａｄｄｒｅｓｓｉｎｃａａｃｉｔａｎｄｈｉｈｃｏｎｓｕｍｔｉｏｎ．Ｔｏｒｅｂｅｃａｕｓｅｏｗｅｒ　　　　　　　　　－ｐｇｐｙｇｐｐ　　，ｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｒｏｂｌｅｍｓａｂｏｖｅｔｈｉｓａｅｒｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｗａｆｏｒｌａｒｅｓｃａｌｅＬＥＤｌａｔｔｉｃｅｓｃｒｅｅｎ　　　　　　　　　－　　　ｐｐｐｐｙｇ　ｄｉｓｌａｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭｅｍｂｅｄｄｅｄ．Ｔｈｅｄａｔａｃａｎｂｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｔｈｅ　　　　　　　　　　　ｐｙｙｙ　　ｉｎｎｅｒＤＭＡｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｔｈｅＡＲＭｃｈｉＴｈｅｆｅｔｃｈａｎｄｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｔｉｍｅｃａｎｂｅｓａｖｅｄｆｏｒｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　ｐ．ｒｏｃｅｓｓｏｒｔｏｔｒａｎｓｍｉｔｄａｔａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｗｈｅｎｒｅａｄｉｎａｎｄｗｒｉｔｉｎ．Ｔｈｅｓｅｅｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃ　　　　　　　　　ｐｙｇｇｐｙ　　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｃａｎｂｅｉｍｒｏｖｅｄ．ｏｆ　　　ｇｐ　

：ＡＲＭ；ＫｅｗｏｒｄｓＬＥＤ；ＤＭＡ；ａｒａｌｌｅｌｂｕｓ　ｐｙ　

１　引　　言

大型ＬＥＤ显示系统是随着计算机及相关微电子、光电子技术的迅猛发展而形成的一种电子它利用发光二极管构成的点阵模块或广告媒体，

像素单元组成大面积显示屏幕，主要用于显示字

］１３－。它采用低电压扫描驱动，符、图像等信息［具

平板显示的主流产品之一，广泛应用在如证券交易、机场航班、港口、车站等场合，在信息显示领域得到广泛应用。

２　系统结构与原理

大型ＬＥＤ显示系统一般分为显示驱动模块和主控板两部分。２．１　显示模块

大型ＬＥＤ显示系统是利用人眼视觉特点采

］４８－。用逐行扫描和列驱动方式以节省硬件开支［

寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角有耗电少、

大、可视距离远等优点。随着ＬＥＤ材料技术和工艺的提升，大型ＬＥＤ显示系统以突出的优势成为

；修订日期：２００９１２１５２００９１２２８　　收稿日期：－－－－，作者简介：葛超（男，河北鹿泉人，硕士研究生，讲师，研究方向：检测控制技术及智能装置。１９８０―）

７４４　液　　晶　　与　　显　　示第２５卷

本系统采用１／１６逐行扫描方式，整个显示屏被分为１６行同名行，

显示模块原理如图１所示。91UROW_BLOCK1…]]4070::4]U77]770[30:[]DT7C[D3∶T703[]:L0KKCQ700∶[8LHQ4NLHD27…C…L17EC4N[K7LQL7]]]10hh]ttLNKU0∶∶∶04512∶CEL7[__3NKK[KC[[DAELLCL…NK…R0……R7PCELC…_CKBLK_EN0C…LBENENQ[15∶0]274HC154…UABCDBLK_EN1U3ENABCD74HC154Q[15…∶0]图１　显示模块原理图

Ｆｉｇ．１　Ｄｉｓｐｌａｙ　

ｍｏｄｕｌｅ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ每个显示模块为１个６４×３２的小点阵屏，分为两部分，上下各１６行，每部分有８组列数据锁存器。上下两部分复用１个４～１６译码器Ｕ３，选通驱动１／１６逐行扫描显示，并需要１６组列驱动锁存器锁存列显示数据。采用并行总线数据传输方式时，需要１个４～１６译码器Ｕ２选通使能列锁存器。在点阵数据刷新时，需要使用两级锁存器锁存列显示数据，

否则会出现显示拖尾现象。本次正在显示的数据存在第二级锁存器中。主控板对屏端第一级锁存器写下一行要显示的数据，进行列数据刷新。传输完毕后，下一行要显示的数据被一起锁存到第二级锁存器，

输出并选通驱动下一行显示。与数据串行传输再转成并行输出的方案相比，采用并行总线方式下二级锁存器的方案更为经济。

显示模块与模块之间横向级联时，运用错位级联的思想，使其具有良好的通用性和可嵌入性。选通线每到一级时就会错位一次并传到下一级，总是使第一根选通线ＢＬＫ＿ＥＮ０作第一级列锁存器译码器的使能控制线，ｎ根选通线就能依次选通ｎ级横向级联模块，这样就可以用相同的显示模块任意组合成横向级联的条屏。

运用错位级联思想，使横向级联的显示模块上的第一级锁存器的译码器Ｕ２能够依次选通，该译码器又能依次选通第一级列数据锁存器，这样横向级联屏上的第一级列数据锁存器就能看成一段连续的存储单元，这是使用ＤＭＡ并行数据传输控制的基础。

２．２　主控电路与ＬＥＤ屏的接口设计

本显示系统选用基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核并

带有内部ＤＭＡ控制器的Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ作主控制器，使其工作在ＡＲＭ状态，并使用１６位总线。由于把ＬＥＤ屏虚拟地视为一段连续的存储单元，故为其分配地址空间０ｘ２００００００～０ｘ４００００００。

主控板与ＬＥＤ屏接口电路原理图如图２所示。

U1U2D[7∶0]177A[4∶1]KDATA[15∶0]DATA[7∶8]BLK_EN[15∶0]C3OD[7∶0]TCCLKHCLK_1thLB4CLK_2th_7WU3PC[3∶0]OR7DATA[15∶8]73TD[15∶8]2S3C44B0XD[7∶0]CKCLKHC4O7LU4]1B∶74_7[W3AOADDR[8∶1]ADDR[8∶1]D[7∶0]TCRnGCS1nGCS1CLKH47nWEnWE853EN1Q0UPG[2∶0]ATQ1BCH……7ENC47Q7UPC98ENU4PG[3∶0]D0Q074HC154D[4∶1]Q[4∶1]1UABCD674HCT244A[8∶5]U图２　主控板与ＬＥＤ显示屏接口原理图

ｉｇ

．２　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｎｅｌ　ａｎｄ　ｄｉｓ－ｐｌａｙ　

ｓｃｒｅｅｎ一个大型ＬＥＤ显示屏的结构可分为纵向级联和横向级联，这种结构类似于一个三维数组。假设一个三维数组ＬＥＤ［ｉ］［ｊ］

［ｋ］，其中：ｉ＝０，１，２，…，ｍ，表示ＬＥＤ屏纵向级联级的序号；

ｊ＝０，

１，２，…，ｎ，表示ＬＥＤ屏横向级联级的序号；

ｋ＝０，１，２，…，１６，表示显示模块上１６个第一

级列数据锁存器的序号。

由于系统使用１６位并行总线数据传输方式，并将ＬＥＤ屏视为一段连续的存储单元，故使用Ａ［４∶１］作显示模块上选通第一级列数据锁存器译码器（图１中Ｕ２）的译码输入，即为三维数组的ｋ变量；使用Ａ［８∶５］作选通横向级联显示模块的译码器（图２中Ｕ１４）译码输入，即为三维数组的ｊ变量；由于ＬＥＤ屏要具有良好的灵活性，又由于采用ＤＭＡ传输数据要求点阵码存放顺序的技术要求，纵向级联级选通不满足使用地址总线译码选通的条件，所以使用Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的ＰＧ［２∶０］

作Ｆ第５期葛　超，等：基于ＡＲＭ嵌入式系统的ＬＥＤ点阵屏设计

７４５　

纵向级联级选通译码器的译码输入，即三维数组的ｉ变量。

由于地址和数据总线上的状态不断变化，所以在对ＬＥＤ屏进行写操作时，地址和数据信号应进行锁存，主控板上分别使用Ｕ２、Ｕ３和Ｕ４锁存对ＬＥＤ进行写操作时的地址和数据总线的状态。ＬＥＤ屏分配首址为０ｘ２００００００，当对其进行写操作时，Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的ｎＧＣＳｌ和ｎＷＥ脚会出现可编程控制时延的有效低电平。ｎＧＣＳｌ经一个非门作Ｕ２、Ｕ３和Ｕ４的锁存使能控制信号，保证仅在对ＬＥＤ屏访问时，地址和数据总线上的信号才被锁存。ｎＷＥ经一个非门作屏端第一级列数据锁存器（图１中Ｕ４～Ｕ１９）的锁存使能控制信号，保证只有当刷新数据稳定出现在列数据锁存其输入端时才被锁存。Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的ＰＣＩ０作所有屏端第二级锁存器（图１中Ｕ２０～Ｕ３５）的锁存使能控制信号线；Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ的ＰＣ［３∶０］作１６行驱动译码器（图１中Ｕ３）的译码输入。由于数据传输时只需要主控板对ＬＥＤ屏输出控制，不需要信号反馈，所以接口电路采用廉价的５Ｖ供电的ＨＣＴ电路芯片方案，就可满足主控芯片３．３Ｖ到ＬＥＤ屏５Ｖ的逻辑电平转换。

在ＤＭＡ传输数据时，更关心的是ＤＭＡ的写操作，时序如图３所示。ｔ１时刻ＤＭＡ写操作开始，地址和数据总线上出现ＬＥＤ屏相应位置的地址和刷新数据；ｔ２时刻ｎＧＣＳ１引脚出现有效低电平，地址和数据总线上的数据被锁存到Ｕ２～Ｕ４并输出；ｔ３时刻ｎＷＥ引脚出现有效低电平，Ｕ２～Ｕ４的输出数据被锁存到屏端第一级列数据锁存器并输出。这样主控制器就完成了一次列数据的刷新。

MCLKADDR[8∶1]LED屏锁存器地址DATA[15∶0]刷新点阵码nGCS1A[8∶1]LED屏锁存器地址D[15∶0]刷新点阵码nWE第一级锁存器输出上一行显示点阵码刷新点阵码t1t2t3图３　ＤＭＡ的写操作时序图

Ｆｉｇ．３　Ｔｉｍｉｎｇ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＤＭＡ　ｗｒｉｔｉｎｇ　

ｏｐｅｒａｔｉｏｎ３　软件设计

３．１　软件设计

由于使用了Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ内部ＤＭＡ控制器进

行数据的传输与控制［９］

，显示程序得到很大简化，

程序流程如图４所示。点阵码的传输全由ＤＭＡ控制器完成，只需在启动ＤＭＡ数据传输前将点阵码的首址、ＬＥＤ屏的首址及传输数据量的值分别赋给相应的控制字后，启动ＤＭＡ操作即可。完成所有本同名行点阵码传输后，将刷新的数据锁存到第二级列数据锁存器输出，并驱动本同名行显示。这样循环显示１６行同名行后就完成了一帧点阵显示。

显存指针指向本要显示的本页点阵首址行计数器清零，并将16行同名纵向级联级计数器DMA选通该纵向级联级，并对后，启动各控制字进行初始化显存指针指向纵向DMA传输数据级联级显存首址NN传输完毕Y纵向级联计数满计数器？YN16数据刷新完毕计数满行计数器打入第二级锁存器，将数据？选通本同名行显示，并Y本帧点阵显示完毕图４　显示程序流程图Ｆｉｇ．４　Ｄｉｓｐｌａｙ　

ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ３．２　点阵排序

由于使用了１６位并行总线和ＤＭＡ数据传

输技术［１０］

，在显示时点阵码的排放顺序需要满足

如下要求：

（１）１６位并行总线一次数据传输，即一次ＤＭＡ写操作传输两个字节的点阵码，

低位和高位字节分别传送到两相邻的纵向级联模块的同名行和同名列数据锁存器中，因此相邻的纵向级联模块的同名行和同名列点阵码应连续存放；

（２

）由于显示模块的第一级列数据锁存器译码选通电路结构和ＤＭＡ数据传输要求，

对同一７４６　液　　晶　　与　　显　　示第２５卷

显示模块的上下两部分的同名行点阵应按列数据锁存器的选通顺序依次连续存放；

）（两相邻的纵向级联级的一系列横向级联３

））级应按（和（原则进行点阵码排序；１２

））、（）、（）（各纵向级联级依次按（原则进４１２３行点阵码排序；

（）一个大型Ｌ５１６行扫描显示方式下，ＥＤ屏）、（）、（）、每一同名行按照（分为１６行同名行，１２３）（原则进行点阵排序。４

以一个１２８×６４的点阵屏第一行同名行的数据排序为例，如图５所示，第一行同名行的点阵码

，，……的存放顺序应依次为：ａｂ……ｚＡ，Ｂ，……。Ｚ，

４　结　　论

使用并行总线ＤＭＡ数据传输技术简化了降低了系统成本，ＬＥＤ显示系统的软硬件设计，取得了很好的显示质量。在２２．１１８４ＭＨｚ的系　

２

）单色点阵屏显示帧频统时钟下，５１２×２５６（８ｍ

，达到２平均１达到了５０Ｈｚ２０ｎｓ传送１个字节，使用单ＣＰＵ系统代替多机系统控制ＬＥＤ显示系统的目的。但为了使上一代的显示驱动板仍能够使用，点阵码需要排序，显示时只能使用页面方式显示，这样在多页动态滚屏显示时需要使用大容量的存储器。对于５１２×２５６单色点阵屏需要数十兆的容量，使用３２位ＡＲＭ７ＴＤＭｌ内核先进控制器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ和廉价的大容量ＳＤＲＡＭ存储器可以使该问题得到很好的解决。若使用针对点阵ＤＭＡ控制显示设计的显示驱动板显示时，一片数百ｋ码就不需要排序，Ｂ的ＳＲＡＭ就能满足系统要求。

{{ROW_BLOCK2ROW_BLOCK1acegikmoGIIMOQSUqsuwyACEWYbdfrtvhjknpHJLNPRRVxzBDFXZ图５　１２８×６４点阵屏第一行同名行的数据排序图Ｆｉ．５　Ｄａｔａｓｏｒｔｉｎｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｈｏｍｏｎｍｒｏｗｉｎ　　　　　　ｇｇｙｙ　　

１２８×６４ｌａｔｔｉｃｅｓｃｒｅｅｎ　

参　考　文　献：

［基于Ａ北京：人民邮电出版社，１］吴明晖．ＲＭ的嵌入式系统开发与应用［Ｍ］．２００４．［］（）：靳桅．超长Ｌ液晶与显示，２］刘全，ＥＤ显示屏控制系统的实现［Ｊ．２００８，１２６７４４７５０．－［徐英慧．北京：北京航空航天大学出版社，３］马忠梅，ＡＲＭ嵌入式处理器结构与应用基础［Ｍ］．２００７．［］（）：靳桅，邬芝权．液晶与显示，４］王飞，ＬＥＤ大屏幕输出电路的优化设计［Ｊ．２００８，２１１０２１０５．－［］（）：５］ＺｈａｎＭｉｎｂｏ．ＤｅｓｉｎｏｆｍａｔｒｉｘＬＥＤｄｉｓｌａｓｓｔｅｍｂａｓｅｉｎＭＣＵ［Ｊ．Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｓｔｅｍ＆ＳＯＣ，２００７，２２８５８６．　　　　　　　－ｇｇｇｐｙｙｙ　　［］关宇东，陈学泉，等．基于Ａ的Ｌ哈尔滨理工大学学报，６］王宏民，ＲＭ７（４４Ｂ０）ＥＤ显示屏控制系统设计与实现［Ｊ．

（）：２００８，６３３８４０．－［］（）：尹柱霞，严飞．液晶与显示，７］郑喜凤，ＬＥＤ显示控制系统中ＳＤＲＡＭ控制器的设计［Ｊ．２００８，６３４２３４２８．－［］，（）：刘文波．基于嵌入式系统的Ｌ佳木斯大学学报（自然科学版）８］夏萌，ＥＤ显示屏设计与实现［Ｊ．２００９，３２１９８２００．－［］（）：孟文，肖世德，等．基于Ａ液晶与显示，９］陈科，ＲＭＳ３Ｃ４４ＢＯＸ的ＬＥＤ显示屏设计［Ｊ．２００４，１２６４８３４８６．　－［］杜小华，］（）：张伟刚，马宏亮．基于嵌入式的Ｌ凯里学院学报，１０ＥＤ点阵显示系统［Ｊ．２００９，６３１８２０．－