基于ARM的LED显示屏多功能控制卡设计

李卫卫，钱剑敏

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体。传统的LED显示屏的信息输入只能通过数据线与电脑直接连接来进行，通常使用RS232作为数据传送标准，最高波特率一般不超过115 200 bps，其固有的低速特性限制了LED显示屏内容的快速同步更新。因此对于传统LED显示屏来说不能满足远程信息实时发布的需要，采用GPRS无线网络通讯虽然可以很好的解决远程信息发布和大规模组网问题，但其成本费用也将增加[1]。本文针对目前大屏幕LED显示系统存在的问题，考虑到不同控制方式的优缺点，结合当今先进的微控制器产品、控制技术和通信技术，采用TI公司推出的基于Cortex-M3内核的Stellaris系列新一代32位嵌入式RISC微处理器组成前级驱动电路，创新性的集成市场上常用的3种不同控制方式的控制卡在同一个控制卡上：包括串口控制方式、SMS短信控制方式以及GPRS无线集群控制方式于一体。与传统的基于8位/16位普通单片机的LED显示系统相比较，该系统在不显著增加系统成本的情况下，可支持更大可视区域的稳定显示及内容实时更新控制，同时可存储更多的显示内容，并且控制方式更灵活，可以满足不同客户的控制需求。

1 总体设计

该控制系统总体结构图如图1所示，用户通过PC机的COM口、GSM短信[2]或者GPRS无线网络把数据包发送到指定的LED控制终端，该控制终端按照通讯协议，解析存储在片外flash的数据包，然后以点阵方式输出到LED显示屏上，把用户要发布的信息按一定规律显示出来。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the LED control system

2 系统硬件设计

LED点阵控制终端由LED控制器和LED点阵驱动显示屏构成，本系统是由信息管理中心通过SMS短信、RS232串口、GPRS无线网络3种数据传输方式来控制LED显示屏，实现信息发布显示，该系统主要包括4个模块：1）信息管理发布平台；2）RS232/RS485/GPRS无线通讯模块；3）MCU 中央控制器模块；4）LED显示屏驱动电路。信息中心通过COM口、GPRS无线网络或GSM短消息中心发送数据到板卡片外flash，控制卡把数据按协议解析之后，经74HC245功率放大后按行扫描输出到移位寄存器后在显示屏上显示[6-7]。其结构框图如图2所示。

图2中左边部分是MCU通过3种外围接口包括串口、SIM卡或GPRS模块数据通信，接收用户发布的信息。

图2中间部分是LED控制器，实现对LED显示屏扫描速度（N帧/s）、亮度、对比度等的调节，使上位机从繁重的显示驱动任务中解脱出来。因为显示信息是通过LED控制卡动态扫描方式完成，当屏幕比较大的时候，就要求有FLASH、RAM、CPLD/FPGA来控制扫描，FLASH用于存储显示内容，RAM相当于显存[8]。

图2 LED点阵控制终端结构框图Fig.2 Structure diagram of the LED dot matrix control terminal

图2中右边部分是LED点阵驱动显示屏，每个8×8的LED点阵块称为最小模块，每16个8×8的LED点阵块为一个基模块，一个基模块横向有8个，纵向有2个最小模块。LED点阵显示屏每个单元由1个基模块和74HC138、74HC245、74HC595、行驱动三极管组成一个 64×16的 LED点阵，可以同时显示汉字、字符或数字图形等[3]。显示屏单元具有数据输出接口，可以级联多个显示屏单元，上一级数据和命令信息直接传送到下一级显示屏单元，从而构成更大的显示屏幕，原则上来说是可以无限级联，所以可以用于显示无限多无限大的内容，这也是LED显示方式强于其它显示方式的地方。

3 系统软件设计

系统软件设计分为LED点阵控制显示终端和数据中心服务器发送接收终端两部分。本系统上电启动后会自动检测是否有GPRS模块连接，如果检测有GPRS模块连接，则会继续判定modem模块类型是SMS短信控制模式还是GPRS通信模式，默认为串口通信模式[4]。整个系统软件流程如图3所示。

在串口通讯模式下，该系统的LED点阵控制终端上位机PC软件是基于.net语言开发的一个上位机操作界面，主要是完成LED点阵屏显示、数据转发和通信网络维护。LED点阵屏显示采用动态扫描的方式显示各种文字图像。

在GPRS通信模式下，系统的远程实时通信部分由LM3S1138控制器负责通过GPRS模块发送给远端的Internet上的数据中心。LM3S1138控制卡对GL865-DUAL的以太网接入和通信控制，使用AT指令集通过串口进行命令控制[5]。

在SMS短信模式下，系统是由SIM卡接收存储GSM网络中心发送过来的短消息，经PDU解析Unicode码后，拼接成完整短消息，再从flash字库中索引出所要的点阵信息，最后在LED显示屏中显示出来。

开发工具采用ARM公司推出的keil uVision4编译器进行芯片驱动和主程序的编写调试。

图3 系统软件流程图Fig.3 Flow chart of the software control system

4 结 论

文中设计的LED屏异步控制卡是集合串口通讯控制卡、GSM短信控制卡、GPRS无线集群控制卡3种不同控制方式的优点为一体的一张异步控制卡，打破传统单一的控制方式，可以更好的满足不同客户的控制需求。控制卡采用的是TI公司基于Cortex-M3内核的Stellaris系列新一代32位嵌入式RISC微处理器LM3S1138芯片，使得数据的处理传输速度更快，实时性更强，控制更加高效，并且大大降低了LED控制卡成本。

[1]廖晶晶，唐宁，李涛东．LED显示屏驱动芯片的应用[J].计算机工程与设计，2007（8）:25-43．LIAO Jing-jing，TANG Ning，LI Tao-dong.The application of the LED display driver chip[J].Computer Engineering and Design，2007（8）:25-43.

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[3]贾东耀．LED点阵显示模块的设计[J]．电测与仪表，2002（7）:54-76.JIA Dong-yao.Design of the LED dot matrix display module[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2002（7）:54-76.

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[5]王大鹏，徐家栋，臧传晟．无线信息传送在LED显示屏系统中的应用[J]．现代显示，2006（6）:76-84.WANG Da-peng，XU Jia-dong，ZANG Chuan-sheng.Wireless messaging applications in the LED Display systems[J].Moderm Display，2006（6）:76-84.

[6]周立功．ARM嵌入式系统实验教程扩展实验三[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2006．

[7]孙秋野，孙凯，冯键．ARM嵌入式系统开发典型模块[M]．北京：人民邮电出版社，2007．

[8]周立功．ARM微控制器基础与实践[M]．2版.北京：北京航天航空大学出版社，2008．