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嵌入式LED控制系统研究与实现

DALIANUNIVERSITY

大连大学

2011届毕业论文（设计）

题目:

嵌入式LED控制系统设计与实现

所在（院系）：

信息工程学院

专业（班级）：

自动071班

学生姓名：

舒伟

指导教师：

杜秀丽

评阅人：

任齐

院长（系主任）：

裴炳南

嵌入式LED显示系统设计与实现

总计：

毕业论文67页

表格11表

插图23幅

指导教师杜秀丽

评语人任齐

完成日期2011-5-25

摘要

LED显示屏以其超大的显示画面、丰富的显示内容、灵活多变的显示方式，逐渐成为国际上显示系统的主流，在显示系统的发展中扮演着越来越重要的角色，广泛应用于车站、金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，产生了巨大的社会效益和丰厚的经济效益。

目前，大部分显示屏都采用的8位或者16位微处理器，其数据处理量、运算速度、通信方式相对落后，存在很大的局限性。

而随着LED显示屏技术和计算机的发展，LED显示系统需要处理的数据量越来越多，屏幕的刷新频率也越来越高，除此之外还要能够实现与计算机甚至是手机的通信，如果仅靠传统的8/16位单片机处理，很难满足这些要求。

本课题针对目前LED显示屏系统存在的问题，采用基于ARM核的32位微处理器LPC2210和正文里的不同和FPGA共同作为显示系统的核心，设计了嵌入式LED显示控制系统。

ARM作为主控制芯片，FPGA作为扫描单元，这样即解决了单以FPGA为控制芯片时运算和控制能力的不足，又解决了单以ARM为核心控制芯片时处理速度和灵活性的不足。

系统设计有局域网接口和SD卡接口，局域网接口方便了系统与计算机及系统之间的数据交换；而SD卡接口可以使系统在没有电脑的情况下也能使用，使系统能在更多场合下使用。

在对显示控制系统软、硬件设计的基础上，对系统进行了调试。

调试结果表明系统的刷新频率达到100HZ以上，在降低极少发光效率的情况下刷新频率能达1000Hz。

系统采用千兆以太网技术，能满足1024×768分辨率数据量的传输要求，32位SDRAM图像缓存和2个256KB的RAM显存有效的解决了大屏幕显示时，图像数据传输速率不足的问题。

关键词：

ARM微处理器；FPGA；LED显示系统；局域网

Abstract

LEDdisplaywithitslargedisplayframe,richdisplayproperties,flexibledisplaymodes,ithasgraduallybecomethemainstreamoftheinternationalcommunity.Inthedevelopmentofdisplaysystemsplayanincreasinglyimportantrole.Itwidelyusedinrailwaystations,financialsecurities,bank,commercialadvertising,CultureandEntertainmentetc,ithascreatedenormoussocialandsubstantialeconomicbenefits.

Atpresent,mostscreensareusedin8-bitor16-bitmicroprocessor,theirdataprocessingcapacity,processingspeed,communicationmodeareallrelativelybackward,hasgreatlimitations.ButwiththedevelopmentofLEDdisplaytechnologyandcomputer,thedataneedtobedealwithmoreandmorecomplex,screenrefreshrataisalsoincreasing,inaddition,thesystemalsoneedtocanachievecommunicationwithcomputerevenmobilephone,ifonlyrelyontraditional8/16bitmicrocontroller,itisdifficulttomeettheserequirement..forthencurrentproblemsinLEDdisplaysystem,thispaperuse32-bitmicroprocessorLPC2148basedonARM-coreandFPGAasthesystem’sheart.ARMasthemaincontrolchip,FPGAasscanningunitheart,thisnotonlysolvedthelackofoperationandcontrolability,butalsosolvedthelackoftheprocessingspeedandflexibility.SystemdesignedLANandSDcardinterface,LANinterfacemakedataexchangeeasierbetweencomputerandsystemorsystemandsystem,SDcardinterfaceallowsthesystembeusedinasituationwithoutcomputer,sothesystemcanbeusedinmoreplace.

Basedonthedesignofsoftwareandhardwareindisplaycontrolsystem,thewasdebuggedsystem.Debuggingresultsshowedthatthesystemreaches100Hzrefreshrate,inthesituationofreducingfewluminousefficiency,therefreshratecanbeupto1000Hz.SystemusetheGigabitEthernettechnologytomeettheamountofdatatransmissionrequirementsin1024×768resolution,32-bitSDRAMimagecacheandtwo256KBRAMshowncache,solvetheproblemofdatatransmissiontothelargescreendisplayeffective.

KeyWords:

ARMMicroprocessor;FPGA;LEDdisplaysystem;LAN

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状及趋势2

1.3本文主要研究内容4

2LED显示屏彩色控制技术5

2.1色度学基础理论5

2.1.1颜色的分类及属性5

2.1.2人眼的彩色视觉5

2.1.3颜色相加原理5

2.2D/T（Digit/Time）转换原理6

2.3基于二进制位权重的PWM控制技术6

2.3.1普通PWM控制6

2.3.2基于二进制权位重的PWM控制技术8

2.4基于全局使能的PWM控制技术9

2.4.1直接输出PWM控制10

2.4.2基于全局使能的综合PWM控制技术11

3系统硬件设计15

3.1系统组成及原理15

3.2LPC2210及EP2C8Q208C8介绍16

3.2.1LPC2210简介16

3.2.3CycloneIIEP2C8Q208C8简介17

3.3扫描控制模块电路17

3.4存储器接口电路19

3.4.1FLASH存储器及其接口电路19

3.4.2SDRAM接口电路21

3.4.3SD卡接口电路23

3.5以太网接口电路设计24

3.6LED显示屏驱动电路25

4软件设计28

4.1Flash存取29

4.1.1写命令29

4.1.2写地址30

4.1.3页写入和读取31

4.1.4块擦除32

4.2SDRAM存取32

4.2.1SDRAM初始化32

4.2.2SDRAM读写35

4.2.3突发读写38

4.3SD卡读写40

4.3.1SPI初始化40

4.3.2SD卡初始化41

4.3.3扇区读写41

4.4以太网通信42

4.4.1以太网工作原理42

4.4.2Linux网络驱动程序体系结构43

4.4.3RTL8212的初始化44

4.4.4数据包发送44

4.4.5数据包接受45

4.5256级灰度实现45

4.5.1参数计算45

4.5.2时钟模块46

4.5.3数据缓存模块46

4.5.4数据输出模块47

5总结及展望49

参考文献50

附录一外文原文52

附录二外文译文56

致谢61

大连大学学位论文版权使用授权书62

1绪论

1.1研究背景及意义

发光二极管（LED）是60年代末发展起来的一种半导体显示技术，70年代低发光效率的LED已开始应用于指示灯、数字和文字显示，80年代后，LED平板显示产品开始出现。

作为继电视、广播、报纸、杂志之后的“第五大媒体”，LED显示屏具有高亮度、低电压、小功耗、长寿命、强适应能力等一系列优点。

作为新兴显示产品，其正快速步入社会生活的各个方面，包括宇航、飞机、通信、工业应用、消费类产品等。

目前，大部分显示屏都采用8位或者16位微处理器，其数据处理量、运算速度、通信方式相对落后，存在很大的局限性。

而随着LED显示屏技术和计算机的发展，LED显示系统需要处理的数据量越来越多，屏幕的刷新频率也越来越高，除此之外还要能够实现与计算机甚至是手机的通信，如果仅靠传统的8/16位单片机处理，很难满足这些要求。

虽然以FPGA和32位微处理器的LED显示控制系统已经应用于大屏幕显示控制中，但是单以FPGA为核心的控制系统，实现起来难度较大，这是因为FPGA的运算能力和容量及控制能力相对单片机较弱，要想使用，须有高性能的FPGA芯片支持。

而单以32位微处理器为核心的控制芯片又不够灵活，处理速度相对FPGA又较慢。

基于上述问题本文考虑将ARM和FPGA结合使用，以ARM为主控制芯片，而FPGA作为扫描单元，结合两者的优势，提高系统的处理速度和灵活性。

ARM嵌入式微处理器是ARM公司基于精简指令集（RISC）架构的32位微处理器。

具有性能高、成本低和功耗省的特点，适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动应用等。

FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

因此考虑使用FPGA和ARM制作LED显示控制系统具有重大意义。

1.2国内外研究现状及趋势

国外，在使用LED技术设计和制造大尺寸显示屏幕这一领域，SION公司处于世界领先地位。

该公司推出的LED显示屏采用数百万个分散的红、绿、蓝LED制造而成，提供的分辨率和观察视角要远远好于任何一种投射或者层叠大尺寸显示器。

而在高亮度大屏幕视频显示技术方面，JumboTron系统被公认为是世界的领先者。

JumboTron的技术特点在于采用了独特的图像控制器，确保了图像的高清晰度。

目前，全世界有23个国家在使用JumboTron超大屏幕电子显示屏，总使用面积己超过14000平方米。

我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。

90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。

LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。

LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。

目前，国内外对LED显示屏控制方面的研究都比较多，归纳起来主要有下面三个方面：

（1）基于单片机的控制技术研究。

其中一种是以一片单片机为主控制器件来控制和协调LED显示屏整个系统，另一种是多片单片机构成的多处理器主从系统，以一片作为主CPU，其他作为从CPU，由主从处理器配合共同完成显示屏的控制。

但由于单片机内部资源有限，运行速度也不是很高，因此，这种方案在全彩显示屏控制方面使用较少。

（2）基于CPLD/FPGA的控制技术研究。

主要针对视频图像信号频率高、数据量大、实时性强的特点，考虑到LED显示屏电路的数字逻辑的复杂性，采用CPLD/FPGA设计以大大简化系统结构。

其主要思想是利用CPLD/FPGA器件实现同步控制、主从控制、读写控制和灰度调制等电路，使图像数据处理更为快速，图像更加稳定。

这种方法设计灵活，便于调试，稳定性高，因而得到了广泛的应用。

但因为现有CPLD/FPGA器件运算能力及控制能力都比较弱，所以使用时还存在一些不足。

（3）基于嵌入式系统的控制技术研究。

它是利用嵌入式系统指令执行速度快、支持大容量得存储空间、具有宽范围的队外接口等特点、特别是可以利用其操作系统更为有效地管理系统资源的分配，通过高效的调度算法以多任务方式实现整个应用程序的设计。

系统运行速度和可靠性都比较高，但相应成本也较高。

上述控制方案各具特色，都具有较大的应用价值和相应的应用领域，但以上方案都或多或少存在一定的问题，因此本文提出一种新的控制方案，使用FPGA和32位单片机共同控制，将两者的优势结合起来，达到良好的控制效果。

现代信息社会中，作为人机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，未来显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，极有可能成为平板显示的代表性主流产品。

未来LED显示屏将向着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。

系统的运行、操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。

1.3本文主要研究内容

本文在参考以往设计的基础上，提出使用ARM和FPGA共同作为LED显示系统的控制核心，将有效增强系统的功能。

本论文总共分为5章：

第一章为绪论，介绍了本文研究的背景及意义和LED控制这块国内外研究现状和趋势并指出了本文的主要研究内容，详细描述了基于ARM和FPGA下实现LED显示控制系统的好处；第二章介绍了如何在满足256级灰度等级的情况下，显示屏高刷新频率的实现，提出了基于全局使能综合PWM控制方法的色彩控制技术；第三章主要介绍了系统硬件电路的设计，包括FLAHS、SDRAM、RAM、SD卡、以太网接口电路的设计原理及各模块所用芯片的引脚功能描述；第四章介绍了系统各模块的软件编程及调试结果，包括FLASH存取、SDRAM存取、SD卡存取、以太网通信、扫描模块的编程方法及扫描模块的调试结果；第五章为总结和展望。

2LED显示屏彩色控制技术

2.1色度学基础理论

2.1.1颜色的分类及属性

颜色分为黑白系列和彩色系列。

黑色、白色和各种深浅不同的灰色称为黑白系列。

对发光物体来说，黑白的变化相当于白光的亮度变化，高亮度时人眼感觉到的是白色，低亮度时感觉到的是灰色，无光是黑色。

除黑白系列以外的各种颜色均称为彩色，要准确的描述一种彩色，需要三个参数：

色调、亮度和饱和度：

色调决定彩色的本质，反映了彩色的类别，如红、绿、蓝；亮度描述光作用于人眼引起的明亮程度；饱和度表示颜色深浅的程度。

色调及饱和度合起来称为色度。

2.1.2人眼的彩色视觉

人对颜色的响应受大脑和眼睛共同支配，人对颜色的感觉来源于锥状细胞。

人眼中红、绿、蓝三种光谱灵敏度不同的锥状细胞的存在，是彩色视觉的三基色理论的心理物理学基础。

三种细胞的共同作用的结果，就是人对颜色的总体感觉。

用红、绿、蓝三基色不同比例的混合就能调出从黑到白的各种颜色的光。

2.1.3颜色相加原理

自然界中所有色彩都能由红、绿、蓝三基色混合而成，为了标准化，选用红光波长700nm，绿光波长546.1nm,蓝光波长435.8nm的三色光作为三基色。

公式2.1为颜色混合公式。

（2.1）

公式中C、R、G、B分别表示被匹配颜色和红、绿、蓝三基色的数量。

对于LED显示屏来说，一个LED像素点的颜色可以通过控制RGB三基色发光强度的比例，就可以得到各种各样的彩色，LED光源本身具有谱线宽、体积小、响应速度快的特点，使得其非常适合于混光、混色技术的应用。

2.2D/T（Digit/Time）转换原理

LED电子显示屏是由许多相互独立的像素点排列而成，给每一像素点设置一个常规D/A转换器将使系统电路非常庞大，因此必须寻找一种能最大限度降低系统复杂度且性能可靠的解决方案。

由视觉原理知道，人眼对像素点的平均亮度感觉取决于它的亮/灭占空比。

也就是说，只要对像素点亮/灭占空比进行调节，就能实现对亮度的控制。

对于LED显示屏，只要将代表像素点亮度的数字转换为像素点发光的时间，即通过D/T转换就可实现亮度的D/A转换，即数字脉宽调制。

设显示屏刷新周期为

，控制任意像素点亮度的数据为n位二进制数D，则

，其中

=0或1。

设

为相应于D的发光时间，则像素点亮/灭的占空比

可表示为：

（2.2）

2.3基于二进制位权重的PWM控制技术

2.3.1普通PWM控制

典型的LED显示屏主要由信号传输系统、扫描驱动电路以及LED阵列组成。

为减小控制器复杂度和成本，目前一般均采用串行方式控制。

LED驱动器典型结构如图2.1所示。

图2.1LED驱动器结构图

串行数据在CLK信号的作用下从驱动器SDI输入，从SDO移出，LTD用于将移位数据锁存于锁存寄存器，进而驱动各恒流源，每个恒流源分别驱动对应的LED发光，恒流驱动器输出电流大小可通过外部电阻来进行调节。

各恒流源均可通过一个OE信号来直接控制其工作状态。

为降低线路复杂度，一般将多个驱动器级联使用，即将本驱动器的SDO连到下一个驱动器的SDI，随着CLK时钟脉冲的作用，显示数据从SDI逐个移入，从SDO移出，继而移入到下一个驱动器，一直到所级联的最后一个驱动器，数据移位完成后，通过提供LTD信号将各数据锁存于锁存寄存器，以决定对应的恒流驱动器状态，进而控制连接于其上的各LED状态。

由于采用了锁存结构，数据移位过程只会在移位寄存器中发生，不会显示在LED上。

要实现LED亮度调制，如果亮度值编码为n位编码，则显示屏各LED就有

个灰度等级，需要反复移位锁存

次，LED状态共更新

次，假设某该LED亮度值为

，那么只要使该LED在前

个状态点亮，剩余

个状态均熄灭即可。

由此实现灰度级数值与PWM占空比的对应过程。

图2.2普通PWM亮度控制示意图

图2.2为亮度编码值为4位、总亮度等级为16级时的PWM亮度控制示意图。

OUTO、OUTI、OUTZ、OUT3、OUT4、OUT10、OUT15分别对应0、1、2、3、4、10、15级亮度的PWM波形。

图中将PWM周期分成了16等分，每个时间段对应时间为

其中

代表PWM周期。

在每个PWM周期开始时，所有LED全部点亮，然后根据亮度值决定该LED何时熄灭，亮度值为0时，则在导通瞬间熄灭，亮度值最大时，则始终导通。

由图2.2我们可以看到该方法虽然能实现LED显示屏亮度的调制，但除0级亮度外，其它亮度等级在PWM周期开始时，全部突然开始导通，系统在这一时刻会流过大量电流，给整个电源带来很大的冲击。

同时，瞬间电流尖峰，对LED显示屏所有器件均会造成负面影响，严重缩短了显示屏的工作寿命，并且还会带来严重的EMI（ElectroMagneticInterference）问题。

2.3.2基于二进制权位重的PWM控制技术

为消除电流瞬间突然增大所带来的问题，提出了基于二进制位权重的PWM控制方法，根据亮度值的二进制位决定对应的PWM周期相应时间段内LED的状态。

仍以亮度值为4位编码，总灰度等级为16级为例来说明，亮度值取值范围为0到15。

此亮度值转化为4位二进制数可表示为0000到1111。

将PWM周期以逐倍递增的方式分成相应的4个时间段，分别为T/16，T/8，T/4，T/2。

由亮度值的4个二进制位分别控制对应的4个时间段内LED的亮灭状态。

由此同样可实现PWM占空比与LED亮度值成正比。

图2.3为基于二进制位权重的PWM亮度控制示意图。

图2.3基于二进制位权重的PWM亮度控制示意图

图2.3中，OUTO、OUTI、OUTZ、OUT3、OUT4、OUT10、OUT15分别对应0、1、2、3、4、10、15级亮度值，T/16，T/8，T/4，T/2时间段内输出状态分别对应度值二进制位的O，1，2，3位，时间段的长短与对应的二进制权重成正比。

由于显示屏像素亮度值数据的随机性导致在任何时间段亮度值各位为0或1也是均等机会出现。

因此，无论在那个时间段，LED的亮灭状态几率均为50%，此方法有效避免了在同一时间段内所有LED全部点亮的问题。

2.4基于全局使能的PWM控制技术

彩色LED显示屏要显示更多的色彩，就必须尽可能地提高LED亮度等级。

亮度调制是通过不断更新LED亮灭状态来实现的，亮度级数越高，控制器需控制LED闪烁次数也越大，所需要的移位锁存次数也越多，在某个LED上花费的时间也就越长。

由此，一味地提高显示屏灰度等级必然会使显示屏刷新频率降低。

由视觉原理可知，当LED显示屏刷新频率小样特定的CCF值时，就会产生闪烁现象。

但实际中，显示屏刷新频率仅达到人类视觉要求是远远不够的，因为常常要通过摄相机来对显示屏内容进行录制，并通过电视进行广播，此时LED显示屏图像特别明亮，节目录制时必须通过调节相机光圈以减小曝光时间，如果LED刷新频率小于此曝光时间，就会出现节目闪烁。

虽然，可以通过调节摄相机频率与显示屏刷新频率一致以避免此闪烁问题，但这种方法并不适用于公众应用场合。

因此，在大型应用中，显示屏刷新频率应达到400~1000Hz。

正是由于刷新频率的限制，导致目前显示屏灰度等级无法进一步提高。

针对LED显示屏在采用直接输出PWM方式进行亮度控制时，随着灰度级数增大导致的刷新频率降低的问题，提出了基于全局使能的PWM控制方法，通过全局使能信号来直接控制LED亮灭，大大缩短了LED闪烁一次的时间，增加了显示屏灰度等级，提高了刷新频率。

2.4.1直