基于S3C44B0X的大型LED顯示系統(tǒng)設(shè)計
◆大型LED顯示屏上的像素數(shù)以萬計，隨著顯示面積增大，電路結(jié)構(gòu)隨之增大。
◆為了保證一定的顯示質(zhì)量，幀頻應(yīng)在30幀／s以上。對于一個512×252的單色LED屏，每秒的數(shù)據(jù)傳輸量至少為480 KB以上，對于彩屏及顯示質(zhì)量高的場合，數(shù)據(jù)傳輸量還將按整數(shù)倍增長。
◆當(dāng)LED屏位于室外時，上下位機通信可能在百米甚至千米以上，要求通信速度快且可靠。
鑒于上述前兩個技術(shù)難點，為能夠使用單CPU系統(tǒng)代替多機系統(tǒng)控制大型LED顯示系統(tǒng)，采取的應(yīng)對策略如下：
◆大型的lED屏由通用的顯示模塊組成，顯示模塊具有良好的通用性和可嵌入性。
◆使用16位并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式，要顯示相應(yīng)位置的顯示模塊，模塊上的列鎖存單元能夠準(zhǔn)確選通，使橫向級聯(lián)的LED顯示模塊能夠被視為一段連續(xù)的存儲單元。
◆使用S3C44BOX內(nèi)部的DMA控制器進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制，節(jié)省了使用指令傳輸數(shù)據(jù)的CPU取指和譯指時間以及使用指令傳輸數(shù)據(jù)附帶的計數(shù)、比較、跳轉(zhuǎn)等軟件開銷，從而能夠在連續(xù)的讀寫操作中完成數(shù)據(jù)的傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群托省?/P>
1 硬件結(jié)構(gòu)及原理
大型LED顯示系統(tǒng)一般分為主控板和顯示驅(qū)動模塊兩部分。
1．1 顯示模塊
現(xiàn)今，大型LED顯示系統(tǒng)是利用人眼視覺特點采用逐行掃描和列驅(qū)動方式以節(jié)省硬件開支的，本系統(tǒng)采用1／16逐行掃描方式，所以整個大型LED屏被分為16行同名行，顯示模塊原理圖如圖1所示。
每個顯示模塊為1個64×32的小點陣屏，分為兩部分，上下各16行，每部分有8組列數(shù)據(jù)鎖存器。上下兩部分復(fù)用1個4—16譯碼器U1，選通驅(qū)動1／16逐行掃描顯示，并需要16組列驅(qū)動鎖存器鎖存列顯示數(shù)據(jù)。采用并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式時，需要1個4—16譯碼器U2選通使能列鎖存器。在點陣刷新時，需要使用兩級鎖存器鎖存列顯示數(shù)據(jù)，否則會出現(xiàn)顯示拖尾現(xiàn)象。本次正在顯示的數(shù)據(jù)存在第二級鎖存器中，主控板對屏端第一級鎖存器寫下一行要顯示的數(shù)據(jù)進行列數(shù)據(jù)刷新，當(dāng)下一行要顯示的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，一起鎖存到第二級鎖存器輸出并選通驅(qū)動下一行顯示。采用并行總線方式下二級鎖存器仍比數(shù)據(jù)串行傳輸再轉(zhuǎn)成并行輸出的方案經(jīng)濟。
顯示模塊與模塊之間橫向級聯(lián)時，運用錯位級聯(lián)的思想，使其具有良好的通用性和可嵌入性。如圖1所示，選通線每到一級時就會錯位一次并傳到下一級，總是使第一根選通線BLK_EN0作第一級列鎖存器譯碼器的使能控制線，這樣n根選通線就能依次選通n級橫向級聯(lián)模塊。這樣就可以用相同的顯示模塊任意組合成橫向級聯(lián)的條屏。
運用錯位級聯(lián)思想，使橫向級聯(lián)的顯示模塊上的第一級鎖存器的譯碼器U2能夠依次選通，該譯碼器又能依次選通第一級列數(shù)據(jù)鎖存器，這樣橫向級聯(lián)屏上的第一級列數(shù)據(jù)鎖存器就能看成一段連續(xù)的存儲單元，這是使用DMA并行數(shù)據(jù)傳輸控制的基礎(chǔ)。
1．2 主控電路與LED屏的接口設(shè)計
本顯示系統(tǒng)選用基于ARM7TDMI內(nèi)核并帶有內(nèi)部DMA控制器的S3C44BOX作主控制器，使其工作在ARM狀態(tài)，并使用16位總線。由于把LED屏虛擬的視為一段連續(xù)的存儲單元，故為其分配地址空間0x2000000～Ox4000000。
主控電路與LED屏接口應(yīng)能實現(xiàn)以下功能：
◆選通任意位置的顯示模塊及該模塊上的第一級列數(shù)據(jù)鎖存器。將該位置要顯示的點陣碼準(zhǔn)確鎖存，并能在第一級列數(shù)據(jù)鎖存器數(shù)據(jù)刷新后，將刷新數(shù)據(jù)鎖存到第二級列數(shù)據(jù)鎖存器并輸出。
◆能控制選通驅(qū)動16行同名行中的一行進行逐行掃描顯示。
◆實現(xiàn)主控芯片3．3 V到LED屏5V的邏輯電平轉(zhuǎn)換。
主控板與LED屏接口電路原理圖如圖2所示。
一個大型LED屏的結(jié)構(gòu)可分為縱向級聯(lián)和橫向級聯(lián)，這種結(jié)構(gòu)類似于一個三維數(shù)組。假設(shè)一個三維數(shù)組LED[i][j][k]，其中：
i=0，1，2,…，m 表示LED屏縱向級聯(lián)級的序號。
j=0，1，2,…，n 表示LED屏橫向級聯(lián)級的序號。
k=O，1，2,…，16 表示顯示模塊上16個第一級列數(shù)據(jù)鎖存器的序號。
由于系統(tǒng)使用16位并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式，并將LED屏視為一段連續(xù)的存儲單元，故使用A[4：1]作顯示模塊上選通第一級列數(shù)據(jù)鎖存器譯碼器(圖1中U2)的譯碼輸入，即為三維數(shù)組的k變量；使用A[8：5]作選通橫向級聯(lián)顯示模塊的譯碼器(圖2中U7)譯碼輸入，即為三維數(shù)組的j變量；由于LED屏要具有良好的靈活性，又由于采用DMA傳輸數(shù)據(jù)要求點陣碼存放順序的技術(shù)要求，縱向級聯(lián)級選通不滿足使用地址總線譯碼選通的條件，所以使用S3C44BOX的PG[2：0]作縱向級聯(lián)級選通譯碼器的譯碼輸入，即三維數(shù)組的i變量。
由于地址和數(shù)據(jù)總線上的狀態(tài)不斷變化，所以在對LED屏進行寫操作時，地址和數(shù)據(jù)信號應(yīng)進行鎖存，主控板上分別使用U2、U3和U4鎖存對LED寫操作時的地址和數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。LED屏分配首址為Ox2000000，當(dāng)對其進行寫操作時，S3C44BOX的nGCSl和nWE腳會出現(xiàn)可編程控制時延的有效低電平。nGCSl經(jīng)一個非門作U2、U3和U4的鎖存使能控制信號，保證僅在對LED屏訪問時，地址和數(shù)據(jù)總線上的信號才被鎖存。nWE經(jīng)一個非門作屏端第一級列數(shù)據(jù)鎖存器(圖1中U3～U19)的鎖存使能控制信號，保證只有當(dāng)刷新數(shù)據(jù)穩(wěn)定出現(xiàn)在列數(shù)據(jù)鎖存其輸入端時才被鎖存。S3C44BOX的PCI0作所有屏端第二級鎖存器(圖1中U20～U35)的鎖存使能控制信號線；S3C44BOX的PC[3：O]作16行驅(qū)動譯碼器(圖1中U1)的譯碼輸入。由于數(shù)據(jù)傳輸時只需要主控板對LED屏輸出控制，不需要信號反饋，所以接口電路采用廉價的5V供電的HCT電路芯片方案，就可滿足主控芯片3.3V到LED屏5V的邏輯電平轉(zhuǎn)換。
在DMA傳輸數(shù)據(jù)時，更關(guān)心的是DMA的寫操作，時序如圖3所示。t1時刻DMA寫操作開始，地址和數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn)LED屏相應(yīng)位置的地址和刷新數(shù)據(jù)；t2時刻nGCS1引腳出現(xiàn)有效低電平，地址和數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被鎖存到U2～U4并輸出；t3時刻nWE引腳出現(xiàn)有效低電平，U2～U4的輸出數(shù)據(jù)被鎖存到屏端第一級列數(shù)據(jù)鎖存器并輸出。這樣主控制器就完成了一次列數(shù)據(jù)的刷新。
2 軟件設(shè)計
2．1 LED屏顯示程序設(shè)計
由于使用了S3C44B0X內(nèi)部DMA控制器進行數(shù)據(jù)的傳輸與控制，顯示程序得到很大簡化，程序流程如圖4所示。點陣碼的傳輸全由DMA控制器完成，只需在啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸前將點陣碼的首址、LED屏的首址及傳輸數(shù)據(jù)量的值分別賦給相應(yīng)的控制字后，啟動DMA操作即可。完成所有本同名行點陣碼傳輸后，將刷新的數(shù)據(jù)鎖存到第二級列數(shù)據(jù)鎖存器輸出，并驅(qū)動本同名行顯示。這樣循環(huán)顯示16行同名行后就完成了一幀點陣顯示。
2．2 點陣排序
由于LED顯示模塊的電路結(jié)構(gòu)以及使用了16位并行總線和DMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在顯示時點陣碼的排放順序，需要滿足如下要求：
①16位并行總線一次數(shù)據(jù)傳輸，即一次DMA寫操作傳輸兩個字節(jié)的點陣碼，低位和高位字節(jié)分別傳送到兩相鄰的縱向級聯(lián)模塊的同名行和同名列數(shù)據(jù)鎖存器中，因此相鄰的縱向級聯(lián)模塊的同名行和同名列點陣碼應(yīng)連續(xù)存放。
②由于顯示模塊的第一級列數(shù)據(jù)鎖存器譯碼選通電路結(jié)構(gòu)和DMA數(shù)據(jù)傳輸要求，對同一顯示模塊的上下兩部分的同名行點陣應(yīng)按列數(shù)據(jù)鎖存器的選通順序依次連續(xù)存放。
③兩相鄰的縱向級聯(lián)級的一系列橫向級聯(lián)級應(yīng)按①和②原則進行點陣碼排序。
④各縱向級聯(lián)級依次按①、②、③原則進行點陣碼排序。
⑤16行掃描顯示方式下，一個大型LED屏分為16行同名行，每一同名行按照①、②、③、④原則進行點陣排序。
以一個128×64的點陣屏第一行同名行的數(shù)據(jù)排序為例，如圖5所示，第一行同名行的點陣碼的存放順序應(yīng)依次為：a，b……z，A，B，……z……。 
3 結(jié) 論
使用并行總線DMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)簡化了LED顯示系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，降低了系統(tǒng)成本，取得了很好的顯示質(zhì)量，在22.1184MHz的系統(tǒng)時鐘下，512×256(8m2)單色點陣屏顯示幀頻達到250Hz，平均120ns傳送1個字節(jié)，達到了使用單CPU系統(tǒng)代替多機系統(tǒng)控制LED顯示系統(tǒng)的目的。但為了使上一代的顯示驅(qū)動板仍能夠使用，點陣碼需要排序，顯示時只能使用頁面方式顯示，這樣在多頁動態(tài)滾屏顯示時需要大容量的存儲器。對于512×256單色點陣屏需要數(shù)十兆的容量，使用32位ARM7TDMl內(nèi)核先進控制器S3C44BOX和廉價的大容量SDRAM存儲器可以使該問題得到很好的解決。若使用針對DMA控制顯示設(shè)計的顯示驅(qū)動板顯示時，點陣碼就不需要排序，一片數(shù)百KB的SRAM就能滿足系統(tǒng)要求了。
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