CN101923830A - 一种led显示屏异步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED显示屏异步控制系统，该LED显示屏异步控制系统包括上位机、主控单片机、数据存储器和LED显示屏驱动电路，所述LED显示屏驱动电路采用高速单片机与CPLD协同工作的双核驱动结构。该LED显示屏控制系统具有生产成本低、安全性能好、性价比高的优点。

Description

一种LED显示屏异步控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体来说为一种LED显示屏控制系统，特别是一种LED显示屏异步控制系统。

背景技术

随着社会的发展，LED显示屏在许多场合都得到了广泛的应用，特别是广告行业，使用尤其广泛。现有的LED显示屏控制系统是将上位机需要显示的内容以文字代码的形式通过RS232串口发给主控单片机，经处理后，最终在LED显示屏上显示出来。

高性能单片机(STC12LE5A32S2)特点：它是8位微处理器，是采用先进的SupeRFLASH CMOS半导体技术设计和制造，是采用8051的指令集，并与标准的8051控制器管脚兼容。其带有60KB的片内FLASH E2PROM存储器，使用了存储器被分成两块独立的程序存储器，32KB的内部程序存储器空间，28KB的内部EEPROM存储器空间。1280B内部数据存储器，工作频率可达到35Mhz，内部集成MAX810专用复位电路，通用全双工串口通信。

高性能CPLD特点：MAX 3000A器件具有以下特性：

1)Altera的MAX 3000A可编程逻辑器件(PLD)是满足大批量，成本敏感性应用的非易失性和即用性CPLD理想的解决方案。MAX 3000A提供从32到512个宏单元，3.3V逻辑内核电压，并支持通用特性和封装；

2)Altera的MultiVolt？多电压接口从工业应用传统所要求的5.0V I/O信号到消费电子应用要求的低电压标准如2.5V，MAX 3000A器件都提供强大的I/O电压选项。

3)出众的硅片特性：MAX 3000A器件是具有即用性，非易失性，提供全局时钟，在系统可编程，IEEE-1532标准支持，和开路输出特性的器件，MAX 3000A器件适用于大量系统级的应用；

4)易用的设计软件：MAX器件为易用的Quartus II网络版和MAX+PLUS II基础版设计软件所支持。这两个平台提供综合布局布线，设计验证和器件编程功。

乒乓操作：是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，其处理流程为：输入数据流通过“输入数据选择单元”将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口RAM(DPRAM)、单口RAM(SPRAM)、FIFO等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1”；在第2个缓冲周期，通过“输入数据选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块2”，同时将“数据缓冲模块1”缓存的第1个周期数据通过“输出数据选择单元”的选择，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理；在第3个缓冲周期通过“输入数据选择单元”的再次切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1”，同时将“数据缓冲模块2”缓存的第2个周期的数据通过“输出数据选择单元”切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。如此循环。

乒乓操作的最大特点是通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“数据流运算处理模块”进行运算与处理。把乒乓操作模块当做一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。

通过乒乓操作实现低速模块处理高速数据的实质是：通过DPRAM这种缓存单元实现了数据流的串并转换，并行用“数据预处理模块1”和“数据预处理模块2”处理分流的数据，是面积与速度互换原则的体现。

当今LED显示屏业内流行的异步控制系统的构成的主要有以下几种：

1.8位单片机接收并处理数据，CPLD负责显示数据的并-串转换，实现上屏显示。本方案主要用于小尺寸LED显示屏的控制，成本较低，但性能差。

2.8位单片机的主要负责接收数据，和开机时系统初始化，FPGA部分通过嵌入式操作系统(如NIOS)实现数据处理及上屏显示，本方案能控制较大的LED显示屏，由于需要移植嵌入式操作系统，需要向操作系统版权方支付高额的授权费用，所以成本较高。

3.32位ARM处理器实现数据通信、处理并实现上屏显示。由于控制器的速度和资源的限制，本方案只能用于小尺寸的LED显示屏的控制。

4.32位ARM处理器实现数据通信和处理，CPLD实现上屏显示。高性能的ARM处理器实现数据通信和数据运算，CPLD把运算后的显示数据通过并-串转换实现上屏显示。本方案能实现大尺寸LED显示屏的控制。但成本相对较高。

而当前市面上的LED显示屏异步控制系统大多采用了32位控制器和大容量的CPLD甚至FPGA，所以硬件成本较高，给LED显示屏的推广、应用都带来了一定的不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种LED显示屏异步控制系统，该异步控制系统生产成本低、安全性能好。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种LED显示屏异步控制系统，包括上位机、主控单片机、数据存储器和LED显示屏驱动电路，所述LED显示屏异步控制系统采用高速单片机与CPLD协同工作的双核驱动结构方式。

较好的是根据本发明所述的LED显示屏控制系统，所述双核驱动结构是利用一片SRAM存储器实现单片机与CPLD的分时使用，实现乒乓操作。

较好的是根据本发明所述的LED显示屏控制系统，所述高速单片机与CPLD协同工作，具体是将一块显示缓存区分为上下屏两大块，以片内乒乓的方式进行工作。

较好的是根据本发明所述的LED显示屏控制系统，所述数据存储器人为地分为静态区和动态区，抽取出各区数据长度固定的数据，顺序的存储在静态区指定地址之后的固定长度数据单元中，而将可变长的数据动态的存储在存储器中，并将数据块的首地址写进静态区的相应位置。

较好的是根据本发明所述的LED显示屏控制系统，所述数据存储器中的数据包括LED显示屏的配置数据、时间温度数据、时间校正数据和字幕数据。

较好的是根据本发明所述的LED显示屏控制系统，所述LED显示屏异步控制系统还包括无线GPRS模块，用于上位机和主控单片机之间进行通讯。

本发明所述的LED显示屏异步控制系统，该异步控制系统生产成本低、安全性能好，具有较高的性价比。

附图说明

图1为本发明所述LED显示屏异步控制系统结构框图；

图2为CPLD实现驱动扫描的流程图；

图3为主控单片机更新显存GRAM的流程图；

图4为主控单片机远程通信程序的状态图。

具体实施方式

以下，用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例

如图1所示，本发明所述的LED显示屏异步控制系统，其包括上位机、主控单片机、数据存储器和LED显示屏驱动电路，所述LED显示屏异步控制系统采用高速单片机与CPLD协同工作的双核驱动结构。单片机采用STC12LE5A32S2高速单片机，CPLD采用ALTRA公司的MAX系列EPM3512AQC208。大尺寸的LED显示屏需要非常高的扫描速度，而CPLD是一个高速度工作的器件，所以采用CPLD负责LED的扫描工作；而单片机则负责上下位机的通讯控制、配置和显示信息的存储管理、控制CPLD工作模式(主要是屏幕尺寸、屏幕亮度、特效方式、运行状态等)，以及对图形显示暂存器GRAM的数据进行更新控制等。这两大块即相互独立又分工合作，显示缓存是它们进行信息交流的平台。当需要改变信息显示屏的内容时，只要改变图形显示暂存器GRAM内相应地址中数据即可。因而，使得LED显示驱动控制器呈现一种双处理器核的结构，并且结构简单清晰，接口控制简洁方便。

LED显示屏扫描模块主要采用ALTRA公司生产的MAX系列EPM3512AQC208的CPLD。该CPLD内部包含512个逻辑单元，有足够的逻辑资源。CPLD驱动部分主要包括了：re_control、screen_control、Mcs_ram、way_selector、shift_8、one_to_twe等子模块组成。re_control子模块为读GRAM地址、及移位脉冲、锁存脉冲、显示脉冲输出模块；screen_control子模块完成显示特效生成、特效控制、扫描数据处理等功能；Mcu_ram模块为单片机与GRAM接口子模块；way_selector为GRAM地址及数据总线切换控制子模块；shift_8为8位并-串转换子模块；one_to_twe为一路数据流向控制子模块。该CPLD模块实现了8路同步扫描数据输出口，扫描方式为16分频。CPLD实现驱动扫描的流程如图2所示。

按照上述流程对LED显示屏数据进行不断地更新扫描，便可以形成整幅的画面。而CPLD的扫描速度频率高达1M，所以整屏的扫描速度也将非常高，极大地消除了屏幕闪烁，改善了图文的显示质量。

高速MCU与CPLD双核是通过共享的显存GRAM联系，MCU通过读取下载到ROM类型中的显示图文信息数据，按照规定的显示方式更新显存GRAM中每帧的扫描内容。MCU更新显存GRAM的流程如图3所示。

通过以上流程，构成了整个显示屏的一个完整显示周期；并行重复上述两个流程，整个控制器将运行在连续显示的工作状态。经过实践证明，以上设计方案切实可行、系统运行稳定。

为了便于管理，将LED显示屏划分为以下三个区域：时间温度区，主区，字幕区。其中，时间温度区用于显示当前的日期和时间，如2009年8月17日星期一，数据形式主要是字符，位置一般位于显示屏的顶端；主区用于显示具体的信息，如公告，数据形式可以是图片和字符，一般位于显示屏的中间区域；字幕区一般用于对主区的数据作解释或补充，如主区是一幅图片时字幕区可为图片的文字说明，数据形式为字符，一般位于显示屏的底端。时间温度区的数据长度固定，而主区和字幕区则视实际情况而定，一般为几屏，最多可达数十屏，甚至上百屏。

因此，从远程管理PC机发送到下位机的数据按可分为以下几种：

(1)LED显示屏的配置数据。用于对显示屏控制器进行初始化，主要包括屏高、屏宽、单双色、波特率、亮度等。

(2)时间温度区数据。用于指定时间温度数据的显示模式，主要包括区域的起始、终点坐标，年是否显示，月是否显示等等，具体的时间温度数据将从时间和温度芯片中读取得到。

(3)主区数据。用于显示具体的信息，主要包括区域的起始、终点坐标，特效方式，数据长度，具体的数据等。

(4)字幕区数据。用于对主区进行说明或补充，主要包括区域的起始、终点坐标，特效方式，数据长度，具体的数据等。

(5)时间校正数据。当时间芯片的数据有误时，用于对其进行校正，主要包括年月日时分秒等。

由于需要存储以上多种类型的数据，而任何一种数据存储的不正确或遭到破坏都将对整个显示系统产生不可估量的影响。此外，数据存储的是否合理、高效也将严重影响整个显示系统的性能。因此，设计一种合理的数据结构是至关重要的一步。通常有两种常用的存储方式，固定地址存储和顺序存储。

固定地址存储将每种数据存储在某一固定地址之后的固定长度数据单元中，其缺点是：当某一种数据超过指定的数据长度时将造成数据的破坏。顺序存储从某一地址开始顺序存储以上数据，当数据发生变化时，重新从开始位置顺序存储全部数据。其缺点是不灵活，不能单独对某一区的数据进行修改。这两种存储方法都不能单独对指定的某一区的数据进行更改。

本系统采用了一种新的数据存储结构，将存储器人为的分为静态区和动态区。抽取出各区数据长度固定的数据，顺序的存储在静态区指定地址之后的固定长度数据单元中，而将可变长的数据动态的存储在存储器中，并将数据块的首地址写进静态区的相应位置。该存储结构具有以下几方面的优点：一、设计灵活，可实现对某一种类型数据的单独存储，可实现对某一区的某一帧数据进行单独的修改；二、存储空间利用率高。三、设计方法简单，不需进行复杂的存储空间管理。

具体实现时，由于配置数据、时间温度区、时间校正数据的所有数据长度固定，固在下位机接收上位机发送数据时直接存储在静态区中。而主区和字幕区有一部分数据长度固定，而另一部分却动态变化，则在下位机接收时，先抽取出数据长度固定的数据存储在静态区中，其它数据存在动态区中并将数据块的首地址写进静态区的空闲区。

本发明所述的LED显示屏异步控制系统还包括无线GPRS模块，用于上位机和主控单片机之间进行通讯。它负责把上位机的显示、配置等数据正确而高效的写进下位机的存储设备，并即时向上位机发送状态监控反馈信息。MCU远程通信程序的状态图如图4所示。

显示数据要想在LED屏上显示出来，需要MCU与CPLD协同进行工作：首先MCU将显示数据从Flash中读出来写到显示缓存中，这个过程完成之后CPLD再从显示缓存中读出数据以供扫描电路扫描显示出来。因此，存在两种对显示缓存的操作：一种是MCU对它的写操作，另一种是CPLD对它的读操作。若这两种操作在同一时刻产生，事必发生冲突，导致不可预知的后果。因此，如何协调好MCU与CPLD的读写操作是整个系统非常关键的工作。目前，最常用的方法是设置两独立的显示缓存，以乒乓方式进行工作，即先对缓存1进行写操作，对缓存2进行读操作；当收到切换信号后，调换它们的状态，对缓存1进行读操作，对缓存2进行写操作。

本系统提出一种新的协同方法，该方法只需要一块独立的显示缓存。其设计思想是：人为的将一块显示缓存分为上下屏两大块，以片内乒乓的方式进行工作。其中最关键的就是如何解决在一块显示缓存中同时进行读写操作的问题。在经过认真的分析，我们得出的结论是：从Flash中读出一帧数据后，以特定的动画方式进行显示时需要对它进行多次的扫描才会要求更新下一帧数据，完全可以利用这段时间从Flash中读出下一帧的数据并写到显示缓存中。具体的做法如下：

针对显示数据，首先设置一个空闲标志，每当CPLD扫描完一行时，置位空闲标志并停止工作，短暂时间过后清空空闲标志并恢复原来的工作。MCU不停的检测CPLD空闲状态，一旦空闲，便从Flash中读出数据写进显示缓存，并再次检测CPLD空闲状态，直至该屏数据全部写完。CPLD置位空闲标志并停止工作的时间称为等待时间，CPLD等待时间的长短当有特效方式时根据下式确定：

Tmin为CPLD最短等待时间，N为CPLD以某种特效方式显示时最大移位次数，S为每次移位的长度，H为LED屏的高度，L为每帧数据的字节个数，T2为从Flash读出一个数据并写到显示缓存所需的总时间(包括检测空闲标志位等等)，

为向上取整。

例如：当LED屏为1024*128阵列，并采用向左移位，每次移两个像素点时，CPLD每扫描一行时至少需等待：

因此，CPLD每次扫描一行时，可延时T2us并置位空闲标志。这样，MCU就有充足的时间保证把下一帧的数据准备好。当采用向上移位，且每次移两个像素点时，计算可得：

不失一般性，LED屏长宽比例正常情况下，所有特效方式总可计算得到Tmin为T2的几倍，特殊情况下，也可能几十倍。然而，T2为一个微秒级的数，因此，可认为CPLD每扫描完一行只需等待一段微秒级的时间，而这反映到LED屏上凭肉眼是绝对看不出来的。当LED显示屏静态显示时，由于无移位故不能根据上式计算。但仍可根据LED屏每显示完一帧数据的停留时间来计算CPLD的最短等待时间。

针对定长数据，由于它们均是关于LED屏或各个区的配置信息，一般无需显示，其长度也在10到30字节之间，读写速度可以非常快。因此，在收到CPLD切换帧信号后，可一次性全部读写完。本系统采用外部中断的方式来完成定长数据的读写。具体的做法是：当CPLD需要各区的定长数据时，向MCU发送一个外部中断，并停止读显示缓存，等待数据的到来。MCU收到中断后，执行中断处理程序，把CPLD请求的相应定长数据写到显示缓存，并从中断处理程序返回，继续其它的工作。CPLD收到数据后进行简单的处理，很快又继续前项未完成的操作。

本发明所述的LED显示屏异步控制系统，该异步控制系统生产成本低、安全性能好，具有较高的性价比。

Claims (6)

1.一种LED显示屏异步控制系统，包括上位机、主控单片机、数据存储器和LED显示屏驱动电路，其特征在于：

所述LED显示屏异步控制系统采用高速主控单片机与CPLD协同工作的双核驱动结构方式。

2.根据权利要求1所述的LED显示屏控制系统，其特征在于：所述双核驱动结构是利用一片SRAM存储器实现单片机与CPLD的分时使用，实现乒乓操作。

3.根据权利要求2所述的LED显示屏控制系统，其特征在于：所述高速单片机与CPLD协同工作，具体是将一块显示缓存区分为上下屏两大块，以片内乒乓的方式进行工作。

4.根据权利要求1所述的LED显示屏控制系统，其特征在于：所述数据存储器人为地分为静态区和动态区，抽取出各区数据长度固定的数据，顺序的存储在静态区指定地址之后的固定长度数据单元中，而将可变长的数据动态的存储在存储器中，并将数据块的首地址写进静态区的相应位置。

5.根据权利要求4所述的LED显示屏控制系统，其特征在于：所述数据存储器中的数据包括LED显示屏的配置数据、时间温度数据、时间校正数据和字幕数据。

6.根据权利要求1至5中任一相所述的LED显示屏控制系统，其特征在于：所述LED显示屏异步控制系统还包括无线GPRS模块，用于上位机和主控单片机之间进行通讯。

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