一種led顯示屏異步控制系統的製作方法

2023-04-30 20:29:06 1

專利名稱：一種led顯示屏異步控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種控制系統，具體來說為一種LED顯示屏控制系統，特別是一種LED顯示屏異步控制系統。
背景技術：
隨著社會的發展，LED顯示屏在許多場合都得到了廣泛的應用，特別是廣告行業， 使用尤其廣泛。現有的LED顯示屏控制系統是將上位機需要顯示的內容以文字代碼的形式通過RS232串口發給主控單片機，經處理後，最終在LED顯示屏上顯示出來。高性能單片機(STC12LE5A32S2)特點它是8位微處理器，是採用先進的 SupeRFLASH CMOS半導體技術設計和製造，是採用8051的指令集，並與標準的8051控制器管腳兼容。其帶有60KB的片內FLASH E2PR0M存儲器，使用了存儲器被分成兩塊獨立的程序存儲器，32KB的內部程序存儲器空間，28KB的內部EEPROM存儲器空間。U80B內部數據存儲器，工作頻率可達到35Mhz，內部集成MAX810專用復位電路，通用全雙工串口通信。高性能CPLD特點MAX 3000A器件具有以下特性DAltera的MAX 3000A可編程邏輯器件(PLD)是滿足大批量，成本敏感性應用的非易失性和即用性CPLD理想的解決方案。MAX 3000A提供從32到512個宏單元，3. 3V邏輯內核電壓，並支持通用特性和封裝；2) Altera的MultiVolt ？多電壓接口從工業應用傳統所要求的5. OV I/O信號到消費電子應用要求的低電壓標準如2. 5V，MAX 3000A器件都提供強大的I/O電壓選項。3)出眾的矽片特性MAX 3000A器件是具有即用性，非易失性，提供全局時鐘，在系統可編程，IEEE-1532標準支持，和開路輸出特性的器件，MAX 3000A器件適用於大量系統級的應用；4)易用的設計軟體MAX器件為易用的QuartusII網絡版和MAX+PLUSII基礎版設計軟體所支持。這兩個平臺提供綜合布局布線，設計驗證和器件編程功。桌球操作是一個常常應用於數據流控制的處理技巧，其處理流程為輸入數據流通過「輸入數據選擇單元」將數據流等時分配到兩個數據緩衝區，數據緩衝模塊可以為任何存儲模塊，比較常用的存儲單元為雙口 RAM(DPRAM)、單口 RAM(SPRAM)、FIFO等。在第一個緩衝周期，將輸入的數據流緩存到「數據緩衝模塊1」;在第2個緩衝周期，通過「輸入數據選擇單元」的切換，將輸入的數據流緩存到「數據緩衝模塊2」，同時將「數據緩衝模塊1」緩存的第1個周期數據通過「輸出數據選擇單元」的選擇，送到「數據流運算處理模塊」進行運算處理；在第3個緩衝周期通過「輸入數據選擇單元」的再次切換，將輸入的數據流緩存到 「數據緩衝模塊1」，同時將「數據緩衝模塊2」緩存的第2個周期的數據通過「輸出數據選擇單元」切換，送到「數據流運算處理模塊」進行運算處理。如此循環。桌球操作的最大特點是通過「輸入數據選擇單元」和「輸出數據選擇單元」按節拍、 相互配合的切換，將經過緩衝的數據流沒有停頓地送到「數據流運算處理模塊」進行運算與處理。把桌球操作模塊當做一個整體，站在這個模塊的兩端看數據，輸入數據流和輸出數據流都是連續不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合對數據流進行流水線式處理。所以桌球操作常常應用於流水線式算法，完成數據的無縫緩衝與處理。通過桌球操作實現低速模塊處理高速數據的實質是通過DPRAM這種緩存單元實現了數據流的串並轉換，並行用「數據預處理模塊1」和「數據預處理模塊2」處理分流的數據，是面積與速度互換原則的體現。當今LED顯示屏業內流行的異步控制系統的構成的主要有以下幾種1. 8位單片機接收並處理數據，CPLD負責顯示數據的並_串轉換，實現上屏顯示。 本方案主要用於小尺寸LED顯示屏的控制，成本較低，但性能差。2. 8位單片機的主要負責接收數據，和開機時系統初始化，FPGA部分通過嵌入式作業系統(如NI0S)實現數據處理及上屏顯示，本方案能控制較大的LED顯示屏，由於需要移植嵌入式作業系統，需要向作業系統版權方支付高額的授權費用，所以成本較高。3. 32位ARM處理器實現數據通信、處理並實現上屏顯示。由於控制器的速度和資源的限制，本方案只能用於小尺寸的LED顯示屏的控制。4. 32位ARM處理器實現數據通信和處理，CPLD實現上屏顯示。高性能的ARM處理器實現數據通信和數據運算，CPLD把運算後的顯示數據通過並-串轉換實現上屏顯示。本方案能實現大尺寸LED顯示屏的控制。但成本相對較高。而當前市面上的LED顯示屏異步控制系統大多採用了 32位控制器和大容量的 CPLD甚至FPGA，所以硬體成本較高，給LED顯示屏的推廣、應用都帶來了一定的不利影響。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種LED顯示屏異步控制系統，該異步控制系統生產成本低、安全性能好。為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種LED顯示屏異步控制系統，包括上位機、主控單片機、數據存儲器和LED顯示屏驅動電路，所述LED顯示屏異步控制系統採用高速單片機與CPLD協同工作的雙核驅動結構方式。較好的是根據本實用新型所述的LED顯示屏控制系統，所述雙核驅動結構是利用一片SRAM存儲器實現單片機與CPLD的分時使用，實現桌球操作。 較好的是根據本實用新型所述的LED顯示屏控制系統，所述高速單片機與CPLD協同工作，具體是將一塊顯示緩存區分為上下屏兩大塊，以片內桌球的方式進行工作。較好的是根據本實用新型所述的LED顯示屏控制系統，所述數據存儲器人為地分為靜態區和動態區，抽取出各區數據長度固定的數據，順序的存儲在靜態區指定地址之後的固定長度數據單元中，而將可變長的數據動態的存儲在存儲器中，並將數據塊的首地址寫進靜態區的相應位置。較好的是根據本實用新型所述的LED顯示屏控制系統，所述數據存儲器中的數據包括LED顯示屏的配置數據、時間溫度數據、時間校正數據和字幕數據。較好的是根據本實用新型所述的LED顯示屏控制系統，所述LED顯示屏異步控制系統還包括無線GPRS模塊，用於上位機和主控單片機之間進行通訊。本實用新型所述的LED顯示屏異步控制系統，該異步控制系統生產成本低、安全性能好，具有較高的性價比。
圖1為本實用新型所述LED顯示屏異步控制系統結構框圖；圖2為主控單片機遠程通信程序的狀態圖。
具體實施方式
以下，用實施例結合附圖對本實用新型作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本實用新型最佳實施方式的描述，並不對本實用新型的範圍有任何限制。實施例如圖1所示，本實用新型所述的LED顯示屏異步控制系統，其包括上位機、主控單片機、數據存儲器和LED顯示屏驅動電路，所述LED顯示屏異步控制系統採用高速單片機與 CPLD協同工作的雙核驅動結構。單片機採用STC12LE5A32S2高速單片機，CPLD採用ALTRA 公司的MAX系列EPM3512AQC208。大尺寸的LED顯示屏需要非常高的掃描速度，而CPLD是一個高速度工作的器件，所以採用CPLD負責LED的掃描工作；而單片機則負責上下位機的通訊控制、配置和顯示信息的存儲管理、控制CPLD工作模式(主要是屏幕尺寸、屏幕亮度、 特效方式、運行狀態等)，以及對圖形顯示暫存器GRAM的數據進行更新控制等。這兩大塊即相互獨立又分工合作，顯示緩存是它們進行信息交流的平臺。當需要改變信息顯示屏的內容時，只要改變圖形顯示暫存器GRAM內相應地址中數據即可。因而，使得LED顯示驅動控制器呈現一種雙處理器核的結構，並且結構簡單清晰，接口控制簡潔方便。 LED顯示屏掃描模塊主要採用ALTRA公司生產的MAX系列EPM3512AQC208的CPLD。 該CPLD內部包含512個邏輯單元，有足夠的邏輯資源。CPLD驅動部分主要包括了 re_ control、screen_control、Mcs_ram> way_selector> shift_8> one_to_twe 等子模塊組成。 re_control子模塊為讀GRAM地址、及移位脈衝、鎖存脈衝、顯示脈衝輸出模塊；screen_ control子模塊完成顯示特效生成、特效控制、掃描數據處理等功能；MCU_ram模塊為單片機與GRAM接口子模塊；way—selector為GRAM地址及數據總線切換控制子模塊；shift_8為 8位並-串轉換子模塊；0ne_t0_twe為一路數據流向控制子模塊。該CPLD模塊實現了 8路同步掃描數據輸出口，掃描方式為16分頻。CPLD實現驅動掃描的流程如圖2所示。按照上述流程對LED顯示屏數據進行不斷地更新掃描，便可以形成整幅的畫面。 而CPLD的掃描速度頻率高達1M，所以整屏的掃描速度也將非常高，極大地消除了屏幕閃爍，改善了圖文的顯示質量。高速MCU與CPLD雙核是通過共享的顯存GRAM聯繫，MCU通過讀取下載到ROM類型中的顯示圖文信息數據，按照規定的顯示方式更新顯存GRAM中每幀的掃描內容。通過以上流程，構成了整個顯示屏的一個完整顯示周期；並行重複上述兩個流程， 整個控制器將運行在連續顯示的工作狀態。經過實踐證明，以上設計方案切實可行、系統運行穩定。為了便於管理，將LED顯示屏劃分為以下三個區域時間溫度區，主區，字幕區。其中，時間溫度區用於顯示當前的日期和時間，如2009年8月17日星期一，數據形式主要是字符，位置一般位於顯示屏的頂端；主區用於顯示具體的信息，如公告，數據形式可以是圖片和字符，一般位於顯示屏的中間區域；字幕區一般用於對主區的數據作解釋或補充，如主區是一幅圖片時字幕區可為圖片的文字說明，數據形式為字符，一般位於顯示屏的底端。時間溫度區的數據長度固定，而主區和字幕區則視實際情況而定，一般為幾屏，最多可達數十
屏，甚至上百屏。因此，從遠程管理PC機發送到下位機的數據按可分為以下幾種(I)LED顯示屏的配置數據。用於對顯示屏控制器進行初始化，主要包括屏高、屏寬、單雙色、波特率、亮度等。(2)時間溫度區數據。用於指定時間溫度數據的顯示模式，主要包括區域的起始、 終點坐標，年是否顯示，月是否顯示等等，具體的時間溫度數據將從時間和溫度晶片中讀取得到。(3)主區數據。用於顯示具體的信息，主要包括區域的起始、終點坐標，特效方式， 數據長度，具體的數據等。(4)字幕區數據。用於對主區進行說明或補充，主要包括區域的起始、終點坐標，特效方式，數據長度，具體的數據等。(5)時間校正數據。當時間晶片的數據有誤時，用於對其進行校正，主要包括年月日時分秒等。由於需要存儲以上多種類型的數據，而任何一種數據存儲的不正確或遭到破壞都將對整個顯示系統產生不可估量的影響。此外，數據存儲的是否合理、高效也將嚴重影響整個顯示系統的性能。因此，設計一種合理的數據結構是至關重要的一步。通常有兩種常用的存儲方式，固定地址存儲和順序存儲。固定地址存儲將每種數據存儲在某一固定地址之後的固定長度數據單元中，其缺點是當某一種數據超過指定的數據長度時將造成數據的破壞。順序存儲從某一地址開始順序存儲以上數據，當數據發生變化時，重新從開始位置順序存儲全部數據。其缺點是不靈活，不能單獨對某一區的數據進行修改。這兩種存儲方法都不能單獨對指定的某一區的數據進行更改。本系統採用了一種新的數據存儲結構，將存儲器人為的分為靜態區和動態區。抽取出各區數據長度固定的數據，順序的存儲在靜態區指定地址之後的固定長度數據單元中，而將可變長的數據動態的存儲在存儲器中，並將數據塊的首地址寫進靜態區的相應位置。該存儲結構具有以下幾方面的優點一、設計靈活，可實現對某一種類型數據的單獨存儲，可實現對某一區的某一幀數據進行單獨的修改；二、存儲空間利用率高。三、設計方法簡單，不需進行複雜的存儲空間管理。具體實現時，由於配置數據、時間溫度區、時間校正數據的所有數據長度固定，固在下位機接收上位機發送數據時直接存儲在靜態區中。而主區和字幕區有一部分數據長度固定，而另一部分卻動態變化，則在下位機接收時，先抽取出數據長度固定的數據存儲在靜態區中，其它數據存在動態區中並將數據塊的首地址寫進靜態區的空閒區。本實用新型所述的LED顯示屏異步控制系統還包括無線GPRS模塊，用於上位機和主控單片機之間進行通訊。它負責把上位機的顯示、配置等數據正確而高效的寫進下位機的存儲設備，並即時向上位機發送狀態監控反饋信息。顯示數據要想在LED屏上顯示出來，需要MCU與CPLD協同進行工作首先MCU將顯示數據從Flash中讀出來寫到顯示緩存中，這個過程完成之後CPLD再從顯示緩存中讀出數據以供掃描電路掃描顯示出來。因此，存在兩種對顯示緩存的操作一種是MCU對它的寫操作，另一種是CPLD對它的讀操作。若這兩種操作在同一時刻產生，事必發生衝突，導致不可預知的後果。因此，如何協調好MCU與CPLD的讀寫操作是整個系統非常關鍵的工作。目前，最常用的方法是設置兩獨立的顯示緩存，以桌球方式進行工作，即先對緩存1進行寫操作，對緩存2進行讀操作；當收到切換信號後，調換它們的狀態，對緩存1進行讀操作，對緩存2進行寫操作。本系統提出一種新的協同方法，該方法只需要一塊獨立的顯示緩存。其設計思想是人為的將一塊顯示緩存分為上下屏兩大塊，以片內桌球的方式進行工作。其中最關鍵的就是如何解決在一塊顯示緩存中同時進行讀寫操作的問題。在經過認真的分析，我們得出的結論是從Flash中讀出一幀數據後，以特定的動畫方式進行顯示時需要對它進行多次的掃描才會要求更新下一幀數據，完全可以利用這段時間從Flash中讀出下一幀的數據並寫到顯示緩存中。具體的做法如下針對顯示數據，首先設置一個空閒標誌，每當CPLD掃描完一行時，置位空閒標誌並停止工作，短暫時間過後清空空閒標誌並恢復原來的工作。MCU不停的檢測CPLD空閒狀態，一旦空閒，便從Flash中讀出數據寫進顯示緩存，並再次檢測CPLD空閒狀態，直至該屏數據全部寫完。CPLD置位空閒標誌並停止工作的時間稱為等待時間，CPLD等待時間的長短
當有特效方式時根據下式確定
Tmm =\L/(N/SxH)]xT2 (us)Tmin為CPLD最短等待時間，N為CPLD以某種特效方式顯示時最大移位次數，S為每次移位的長度，H為LED屏的高度，L為每幀數據的字節個數，T2為從Flash讀出一個數據並寫到顯示緩存所需的總時間(包括檢測空閒標誌位等等)，「1為向上取整。例如當LED屏為10對*1觀陣列，並採用向左移位，每次移兩個像素點時，CPLD每
掃描一行時至少需等待
rmjn =[(1024x128/8)/(1024/2x128)]χ T2= [θ.25]xT2 = T2 (us)因此，CPLD每次掃描一行時，可延時T2 us並置位空閒標誌。這樣，MCU就有充足的時間保證把下一幀的數據準備好。當採用向上移位，且每次移兩個像素點時，計算可得
Tmin =「(1024x 128/8)/(128/2 χ 128)"|χ Γ2 =「2"|χ Γ2 =2Γ2 (肌)不失一般性，LED屏長寬比例正常情況下，所有特效方式總可計算得到Tmin為T2 的幾倍，特殊情況下，也可能幾十倍。然而，T2為一個微秒級的數，因此，可認為CPLD每掃描完一行只需等待一段微秒級的時間，而這反映到LED屏上憑肉眼是絕對看不出來的。當 LED顯示屏靜態顯示時，由於無移位故不能根據上式計算。但仍可根據LED屏每顯示完一幀數據的停留時間來計算CPLD的最短等待時間。針對定長數據，由於它們均是關於LED屏或各個區的配置信息，一般無需顯示，其長度也在10到30位元組之間，讀寫速度可以非常快。因此，在收到CPLD切換幀信號後，可一次性全部讀寫完。本系統採用外部中斷的方式來完成定長數據的讀寫。具體的做法是當CPLD需要各區的定長數據時，向MCU發送一個外部中斷，並停止讀顯示緩存，等待數據的到來。MCU收到中斷後，執行中斷處理程序，把CPLD請求的相應定長數據寫到顯示緩存，並從中斷處理程序返回，繼續其它的工作。CPLD收到數據後進行簡單的處理，很快又繼續前項未完成的操作。 本實用新型所述的LED顯示屏異步控制系統，該異步控制系統生產成本低、安全性能好，具有較高的性價比。
權利要求1.一種LED顯示屏異步控制系統，包括上位機、主控單片機、數據存儲器和LED顯示屏驅動電路，其特徵在於所述LED顯示屏異步控制系統採用高速主控單片機與CPLD協同工作的雙核驅動結構方式。
2.根據權利要求1所述的LED顯示屏控制系統，其特徵在於所述雙核驅動結構是利用一片SRAM存儲器實現單片機與CPLD的分時使用，實現桌球操作。
3.根據權利要求2所述的LED顯示屏控制系統，其特徵在於所述高速單片機與CPLD 協同工作，具體是將一塊顯示緩存區分為上下屏兩大塊，以片內桌球的方式進行工作。
4.根據權利要求4所述的LED顯示屏控制系統，其特徵在於所述數據存儲器中的數據包括LED顯示屏的配置數據、時間溫度數據、時間校正數據和字幕數據。
5.根據權利要求1至5中任一相所述的LED顯示屏控制系統，其特徵在於所述LED顯示屏異步控制系統還包括無線GPRS模塊，用於上位機和主控單片機之間進行通訊。
專利摘要本實用新型涉及一種LED顯示屏異步控制系統，該LED顯示屏異步控制系統包括上位機、主控單片機、數據存儲器和LED顯示屏驅動電路，所述LED顯示屏驅動電路採用高速單片機與CPLD協同工作的雙核驅動結構。該LED顯示屏控制系統具有生產成本低、安全性能好、性價比高的優點。
文檔編號G09G3/32GK202120248SQ2010202606
公開日2012年1月18日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者梁展, 王雙 申請人:湖南新亞勝科技發展有限公司