基于ARM处理器的显示屏控制器的设计

1 引言

LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕,主要应用在公众场合的信息发布。它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。本文提出了一款基于32位高性能ARM处理器和μC/OS-II的显示屏控制器的设计方案。它充分利用了μC /OS-II高效的多任务管理功能和ARM处理器强大的运算能力,实现了单屏幕多窗口的任意位置显示,使得屏幕显示内容变得更加丰富,显示方式变得更加灵活。从而使得控制器同步化。

2 控制器硬件总体结构设计

本控制器的硬件结构框图如图1所示。数据处理模块由MCU,一片SRAM和一片FLASH存储器组成。MCU选用基于32位ARM内核的 LPC2214处理器,它有着丰富的外围接口资源和强大的运算能力,是整个控制器的核心。SRAM作为MCU进行特技处理时的缓存使用。FLASH存储器用于存储显示的点阵信息和一些必要的参数。扫描控制模块由CPLD和显存组成。显存为一片SRAM,它用于保存当前正在显示的一帧数据。通信模块包括以太网模块和串口通信模块,可以实现PC与控制器的RS232、RS485以及工业以太网通信。

图1 控制器的硬件结构框图

3 控制器硬件详细设计

1、RTC电路。LPC2214内部集成了RTC功能模块,但由于其时钟源为VPB时钟,故其不能在芯片断电时使用,故其不适合由电池供电的系统。故我们在这里采用了外置的RTC芯片--HOLTEK公司生产的低功耗串行实时时钟芯片HT1381。HT1381采用串行传输方式与微处理器接口,只需三根引线就可以实现微处理器对HT1381访问控制。RTC部分电路原理图如图2所示,图中,C1、C2、G1及X1和X2内部的振荡器组成了 HT1381的时钟发生电路。D1、D2、D3以及3V的可充电电池,＋3.3V的电源组成了HT1381的供电电路。系统采用外部供电时,D3、D2 导通,D1截止,外部电源一方面向芯片供电,另一方面对充电电池进行充电。当系统电源停止供电时,D3截止,D1导通,芯片由电池来供电。

图2 RTC电路

2、温度传感器电路。DS18B20是单总线数字温度传感器。DS18B20采用3脚封装,从DS18B20读出或写入数据仅需要一根I/O线。并且以串行通信的方式与微控制器进行数据通信。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等集成在一个很小的电路芯片上,传感器直接输出的就是温度信号的数字值。信号传输采用两芯(或三芯)电缆构成的单总线结构。一条单总线电缆上可以挂接若干个数字温度传感器,每个传感器有一个唯一的地址编码。微控制器通过对器件的寻址,就可以读取某一个传感器的温度值,从而简化了信号采集系统的电路结构。采集端口的连接线减少了50倍,既节省了造价,又给现场施工带来极大的方便。

3、串行接口电路。虽然,现如今以太网通信的使用已非常普及,但由于串行通信接线少、成本低,所以其在数据采集和控制系统中仍然有着非常广泛的应用。RS232和RS485两种标准的主要区别与使用平衡信号和非平衡信号有关。RS232采用非平衡信号,而RS485采用平衡信号。究竟采用哪一种, 主要取决于传输距离和电器噪声两个因素。在传输距离小于30米,并且环境电器噪声较小情况下,最好采用非平衡的RS232,在传输距离较长,但小于300 米时,或者环境电器噪声影响必需考虑时,最好采用RS485。并且RS485的二线制通讯方式可实现真正的多点双向通信。

4、自动调亮电路。在环境光线较弱时,LED屏的亮度应相应降低,否则会显得刺眼。而在环境光线较强时,LED屏的亮度也应相应提高,否则屏幕显示内容会看不清楚。所以控制器需根据周围光线的亮度来自动调整量度。为了实现上述功能,系统采用了光敏电阻,与一定值电阻串联,当外界环境光线变化时,光敏电阻阻值发生变化,R2所分电压也跟着发生变化,然后根据此电压值来调整屏幕亮度,具体电路如图3所示。LPC2214具有8路10位ADC转换器,其参考电压为3.3V,参考电压的精度会影响ADC的转换结果。R1为I/O口保护电阻,用于保证电路不产生短路故障。

图3 自动调亮电路

5、LED显示屏扫描驱动电路。LED显示屏的扫描逻辑由CPLD来实现,CPLD采用 Altera的EPM1270。EPM1270属于Altera的MAX II系列。MAX II是Altera推出的迄今为止成本最低的CPLD器件。

3 LED扫描逻辑设计

LED扫描逻辑采用CPLD来实现,它具有很好的组合逻辑和时序逻辑功能,能够完成LED显示所需要的扫描控制信号。CPLD设计框图如图4所示, 它主要包括以下几个模块:⑴ 时钟进程:产生各种频率的时钟;⑵ FIFO:CPLD与MCU之间的接口部分,用作数据缓冲,它使得MCU可以对显存进行全速写操作;⑶ 写入地址及数据产生器:产生向显存进行写操作的地址和数据;⑷ 读地址产生器:扫描方式不同,从