CN104505018A - 一种改进cpld设计的led显示屏异步显示控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，包括上位机、转接模块和LED显示屏，还包括异步全彩控制系统，异步全彩控制系统的输入端与上位机相连接，其输出端经过转接模块与LED显示屏相连接；异步全彩控制系统包括微控制器以及分别与所述微控制器相连接的通讯模块、存储模块和显示控制模块；通讯模块包括串口模块和以太网接口模块；存储模块包括FLASH闪存模块、SDRAM和片内RAM；显示控制模块包括CPLD和数据锁存器。本发明将嵌入式和CPLD技术引入到点阵显示项目中，以实现功能多样、系统强大、维护方便、面向网络的新型LED点阵显示系统。系统画质稳定，色彩分辨率高，刷新频率足够，无闪烁感，控制灵活，并有非常高的可靠性和安全性。

Description

一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统

技术领域

本发明公开了一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，涉及LED显示控制技术领域。

背景技术

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，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，并越来越广泛地应用到工业、交通、金融及信息广告等各行业。

随着LED大屏幕显示技术的发展进步，需要处理的数据量大大增加，系统频率要求越来越高，系统规模越来越大，对显示控制系统的要求在不断提高。

传统的异步全彩LED显示屏控制系统采用单片机控制技术，但由于单片机的运算能力与目前的LED的大屏显示对数据传输的要求不符，以至于LED显示屏控制系统的发展遭遇到了瓶颈。

目前，大部分LED显示屏采用的是8位或准16位的微控制器，其运算速度、内存容量、存储空间和通讯方式等方面存在着很大的局限性，对于高难度图文动态特技显示和灰度显示，很难实现在信息容量和处理速度上要求很高的显示技术。

传统技术的LED点阵系统中，采用单板控制系统。整个系统的控制核心是单片机，单片机负责数据的读取、传输和显示。这种方案在仅能做少数一些运算量小的特技，而且控屏范围有限，对显示画面不多、显示画面不大时是方便可行的。但是由于单片机执行指令受时间的限制，当显示画面较大时(画面的点阵数据较多)，单片机的速度往往难以满足要求。以常见的51系列单片机而言，不管是从累加器的瓶颈来说，芯片运行频率来说，从整个体系结构和硬件运行效率上看都属于落后的一族，而且对C语言的开发并没有优化的地方，软件代码运行效率也低。其余较优秀的8位单片机如AVR虽然做了RISC结构优化，使性能成倍提高，但还是受制于整个总线宽度和频率。在传统的方案中，显示画面的数据预先已经存贮在ROM中；当程序运行时，CPU依序将ROM中存储的画面数据输出。当用户希望增加或改动画面时，要重新编写程序，改动不方便。

当8位单片机的弊端逐渐暴露，能够满足高速、大容量、处理频率高的控制芯片应运而生。其中采用基于ARM核的新一代32位微处理器，解决了系统的运行速度、寻址能力和功耗等问题。因此，如今很多显示控制器都尝试使用以可编辑逻辑器件FPGA和嵌入式芯片ARM作为核心控制单元实现对显示屏进行控制，满足了大信息量，快速处理的需求，使得室内外大屏幕高灰度级彩色得到了长足的进步。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，把嵌入式和CPLD技术引入到点阵显示项目中，以实现功能多样、系统强大、维护方便、面向网络的新型LED点阵显示系统。系统可实现将上位机发送的内容保存在存储芯片内，并且将存储的内容最终显示在LED屏上。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，包括上位机、转接模块和LED显示屏，还包括异步全彩控制系统，异步全彩控制系统的输入端与上位机相连接，其输出端经过转接模块与LED显示屏相连接；

所述异步全彩控制系统包括微控制器以及分别与所述微控制器相连接的通讯模块、存储模块和显示控制模块，其中，

所述通讯模块包括串口模块和以太网接口模块，所述串口模块通过串口线与上位机相连接，所述以太网接口模块通过网线与上位机相连接，通讯模块用以实现数据传输；

所述存储模块包括FLASH闪存模块、SDRAM和片内RAM，存储模块用以实现数据存储及调用；

所述显示控制模块包括CPLD和数据锁存器，微控制器产生片选信号访问CPLD，当CPLD被选通时，微控制器的地址线发送控制信号输出给CPLD，微控制器的数据线分别发送数据给CPLD和数据锁存器；

所述显示控制模块产生的控制信号经过转接模块实现对LED显示屏的异步显示控制。

作为本发明的进一步优选方案，所述显示控制模块中，数据锁存器具体包括数据锁存模块和锁存器时钟，所述CPLD还进一步包括CPLD的数据存储模块、CPLD的信号控制模块和CPLD的行选信号模块，其中，

所述CPLD的数据存储模块用以接收微控制器的32位数据总线中高16位数据；

所述CPLD的信号控制模块产生的控制信号包括：数据锁存器时钟信号、显示屏时钟信号、触发信号和使能信号，锁存器时钟为数据锁存器锁存ARM数据总线上的低16位数据，并提供时钟信号；显示屏时钟信号用以逐行点亮LED显示屏；触发信号为发光管控制信号，在LED显示屏的每一行收到数据后点亮其对应的发光管；使能信号维持低电平有效；

所述CPLD的行选信号模块用以产生控制LED屏组成模块的行地址计数。

作为本发明的进一步优选方案，所述微控制器为ARM LPC2214。

作为本发明的进一步优选方案，所述数据锁存器的具体型号为74LS374。

作为本发明的进一步优选方案，所述通讯模块中，数据传输所传输的数据包括文本或者BMP格式的图片。

作为本发明的进一步优选方案，所述转接模块包括50针数据输入接口，和8组数据输出端口。

作为本发明的进一步优选方案，所述异步显示控制系统实现数据存储和控制信号输出的具体过程包括：

步骤1、LPC2214通过数据线传输数据给CPLD的数据存储模块；

步骤2、LPC2214通过数据线传输数据给74LS374，LPC2214传输该数据的同时发送控制信号给CPLD的使能信号控制模块，CPLD的使能信号控制模块收到信号后发出使能信号，控制74LS374工作；

步骤3、LPC2214发送时钟信号给CPLD的时钟信号控制模块，CPLD的时钟信号控制模块收到信号后发出时钟信号，完成数据接收缓存；

步骤4、LPC2214发送行选信号给CPLD的行选信号控制模块，CPLD的行选信号控制模块收到信号后，实现自加一；

步骤5、LPC2214发送点屏信号给CPLD的点屏信号控制模块，CPLD的点屏信号控制模块收到信号后发出点屏信号，点亮每个模块的第一行；

步骤6、重复步骤1至步骤5的过程，完成整屏的点亮。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明实现了一个异步全彩LED显示屏控制系统。把嵌入式和CPLD技术引入到点阵显示项目中，以实现功能多样、系统强大、维护方便、面向网络的新型LED点阵显示系统。系统可实现将上位机发送的内容保存在存储芯片内，并且将存储的内容最终显示在LED屏上，要求画质稳定，色彩分辨率高，刷新频率足够，无闪烁感。通过设置和辅助设备可以对显示屏进行灵活地控制，并有非常高的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明的系统结构模块连接示意图。

图2是本发明中，微处理器ARM与CPLD及LED显示屏连接示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的系统结构模块连接示意图如图1所示，改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，包括上位机、转接模块和LED显示屏，还包括异步全彩控制系统，异步全彩控制系统的输入端与上位机相连接，其输出端经过转接模块与LED显示屏相连接；所述异步全彩控制系统包括微控制器以及分别与所述微控制器相连接的通讯模块、存储模块和显示控制模块，其中，所述通讯模块包括串口模块和以太网接口模块，所述串口模块通过串口线与上位机相连接，所述以太网接口模块通过网线与上位机相连接，通讯模块用以实现数据传输；所述存储模块包括FLASH闪存模块、SDRAM和片内RAM，存储模块用以实现数据存储及调用；所述显示控制模块包括CPLD和数据锁存器，微控制器产生片选信号访问CPLD，当CPLD被选通时，微控制器的地址线发送控制信号输出给CPLD，微控制器的数据线分别发送数据给CPLD和数据锁存器；所述显示控制模块产生的控制信号经过转接模块实现对LED显示屏的异步显示控制。

本发明中，微处理器ARM与CPLD及LED显示屏连接示意框图如图2所示，所述显示控制模块中，数据锁存器具体包括数据锁存模块和锁存器时钟，所述CPLD还进一步包括CPLD的数据存储模块、CPLD的信号控制模块和CPLD的行选信号模块，其中，所述CPLD的数据存储模块用以接收微控制器的32位数据总线中高16位数据；所述CPLD的信号控制模块产生的控制信号包括：数据锁存器时钟信号、显示屏时钟信号、触发信号和使能信号，锁存器时钟为数据锁存器锁存ARM数据总线上的低16位数据，并提供时钟信号；显示屏时钟信号用以逐行点亮LED显示屏；触发信号为发光管控制信号，在LED显示屏的每一行收到数据后点亮其对应的发光管；使能信号维持低电平有效；所述CPLD的行选信号模块用以产生控制LED屏组成模块的行地址计数。

本发明中，通过串口线传输数据时，串口与LPC2214的Rx、Tx引脚相连；通过网线传输数据时，以太网芯片与LPC2214的CS3引脚相连，作为LPC2214的外设。在LPC2214中加载TCP/IP协议，上位机与LPC2214即可根据TCP/IP协议传输数据。传输的数据包括文本、BMP格式的图片，以通信协议约定的格式进行传输。

LPC2214的CS0引脚产生片选信号访问FLASH，CS1引脚产生片选信号访问SDRAM。数据存储位置由上位机发送的控制字决定。

根据通信协议的约定，只需区分红绿色数据，送往不同的数据端口即可。在数据向下传输前，将数组拆分为二维数组，数组[1][n]存放红色数据，数组[2][n]存放绿色数据。

LPC2214的CS2引脚产生片选信号访问CPLD。当CPLD被选通的同时，LPC2214的地址线发送控制信号输出给CPLD的控制模块。LPC2214的数据线发送数据给CPLD的数据存储模块及74LS374芯片。

LED显示屏的显示方式是八分之一行扫描，因此LPC2214传输的数据是以行为单位的，每次传输的数据是每个模块中的第一行。每个模块是由2行8*8的LED点阵组成，256行，共需16个模块，即32行8*8的LED点阵组成。

根据LED显示屏的结构，其输入端口分为两类，一类是数据信号端，有R1、R2……R16代表红色数据，G1、G2……G16代表绿色数据。每个模块对应一个R信号，一个G信号。另一类是控制信号，有行选信号CBA、点屏信号STR、时钟信号CLK、74LS374使能信号374CLK。

由于LPC2214的数据线已全部用于传输数据，控制信号通过地址线传输，对应于每一个控制信号设置了一个地址，具体分配如下：

控制信号	地址
		行选信号CBA	0x8200000F
点屏信号STR	0x82000006
		时钟信号CLK	0x82000004
74LS374使能信号374CLK	0x82000000

LPC2214使用16位数据传输模式，因此传输32行数据需分两次进行。第一次传输的数据存储在CPLD的存储模块，第二次传输的数据存储在74LS374锁存器中。为了使每一行的数据能同时被锁存，由CPLD控制74LS374的使能信号。

传输过程由LPC2214控制，CPLD在LPC2214的控制下，进行数据存储和控制信号输出。整个传输过程如下：

①LPC2214通过数据线传输数据给CPLD的数据存储模块；

②LPC2214通过数据线传输数据给74LS374，LPC2214传输该数据时使用的地址是0x82000000，可同时发送控制信号给CPLD的74LS374使能信号控制模块，该模块收到信号后发出使能信号，控制74LS374工作；

③LPC2214调用地址0x82000004，发送时钟信号给CPLD的时钟信号控制模块，该模块收到信号后发出时钟信号，完成数据接收缓存；

④LPC2214调用地址0x8200000F，发送行选信号给CPLD的行选信号控制模块，该模块收到信号后，实现自加一；

⑤LPC2214调用地址0x82000006，发送点屏信号给CPLD的点屏信号控制模块，该模块收到信号后发出点屏信号。至此可实现每个模块第一行的电亮。

⑥重复①至⑤的过程，当行选信号自加到111，即八时，完成整屏的点亮。

控制模块发出的控制信号连接转接模块的输入端，为50针接口，其中包括五个控制信号C、B、A、STR、CLK，16组红绿两色数据信号，共32个，以及电源和地的引脚。

转接模块有8组输出，每组输出有红绿两色共四个数据输出端，可点亮两个LED模块，8组输出共可点亮16个LED模块，可满足设计要求。

本发明中，CPLD工作过程包括：

1、根据ARM芯片LPC2214的片选信号CS、地址线A2A1A0、时钟信号XCLK的变化情况，CPLD芯片Lattice 4064V和数据锁存器芯片74LS374，分别依次接收并存储ARM芯片LPC2214数据线D[15:0]的上低16位数据和高16位数据。

2、Lattice 4064V产生相应的控制信号，将数据依次送到LED显示屏的每一行，当多个LED模块的每行的数据都已经准备好后，由CPLD产生的控制信号，将LED屏点亮。同时，CPLD的控制信号中的LED屏的行地址信号自动加一，ARM将发送点亮组成LED屏的多个LED模块的第二行的数据，以此类推。

具体工作过程如下：

1）当ARM芯片LPC2214的片选信号CS为0，时钟信号XCLK下降沿来时，且地址线A2A1A0为001时，ARM芯片LPC2214数据线D[15:0]的低16位数据就发送给CPLD芯片Lattice 4064V的数据存储模块。

2）当ARM芯片LPC2214的片选信号CS为0，且地址线A2A1A0为000时，CPLD的控制信号模块产生锁存器时钟clk374输出，此时ARM芯片LPC2214数据线D[15:0]的高16位数据就发送给数据锁存器74LS374。

3）当ARM芯片LPC2214的片选信号CS为0，且地址线A2A1A0为010时，CPLD的控制信号模块产生LED显示屏时钟信号clkLed输出，锁存器数据和CPLD存储数据将逐一送至LED显示屏寄存器。

4）当LED显示屏每个模块第一行的寄存器都收到数据后，同时ARM芯片LPC2214的片选信号CS为0，地址线A2A1A0为110，使能信号OE低电平有效，此时CPLD的控制信号模块产生触发信号STR的高电平输出，LED显示屏每个模块第一行的发光管将被点亮。

5）本设计中，LED显示屏采用逐行扫描的方式点亮LED屏幕，当LED显示屏第一行被点亮后，其余行将依次被点亮。如果屏幕扫描刷新频率足够快时，人眼看到的就是一幅稳定的图像。CPLD行选信号模块输出的LED屏行选信号，就是用来依次选通LED每行发光管的控制信号。当ARM芯片LPC2214的片选信号CS为1，且地址线A2A1A0为111时，LED屏行选信号加1，将选通LED显示屏的下一行。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，包括上位机、转接模块和LED显示屏，其特征在于：还包括异步全彩控制系统，异步全彩控制系统的输入端与上位机相连接，其输出端经过转接模块与LED显示屏相连接；

所述异步全彩控制系统包括微控制器以及分别与所述微控制器相连接的通讯模块、存储模块和显示控制模块，其中，

所述通讯模块包括串口模块和以太网接口模块，所述串口模块通过串口线与上位机相连接，所述以太网接口模块通过网线与上位机相连接，通讯模块用以实现数据传输；

所述存储模块包括FLASH闪存模块、SDRAM和片内RAM，存储模块用以实现数据存储及调用；

所述显示控制模块包括CPLD和数据锁存器，微控制器产生片选信号访问CPLD，当CPLD被选通时，微控制器的地址线发送控制信号输出给CPLD，微控制器的数据线分别发送数据给CPLD和数据锁存器；

所述显示控制模块产生的控制信号经过转接模块实现对LED显示屏的异步显示控制。

2.如权利要求1所述的一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，其特征在于：所述显示控制模块中，数据锁存器具体包括数据锁存模块和锁存器时钟，所述CPLD还进一步包括CPLD的数据存储模块、CPLD的信号控制模块和CPLD的行选信号模块，其中，

所述CPLD的数据存储模块用以接收微控制器的32位数据总线中高16位数据；

所述CPLD的信号控制模块产生的控制信号包括：数据锁存器时钟信号、显示屏时钟信号、触发信号和使能信号，锁存器时钟为数据锁存器锁存ARM数据总线上的低16位数据，并提供时钟信号；显示屏时钟信号用以逐行点亮LED显示屏；触发信号为发光管控制信号，在LED显示屏的每一行收到数据后点亮其对应的发光管；使能信号维持低电平有效；

所述CPLD的行选信号模块用以产生控制LED屏组成模块的行地址计数。

3.如权利要求1或2所述的一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，其特征在于：所述微控制器为ARM LPC2214。

4.如权利要求1或2所述的一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，其特征在于：所述数据锁存器的具体型号为74LS374。

5.如权利要求1或2所述的一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，其特征在于：所述通讯模块中，数据传输所传输的数据包括文本或者BMP格式的图片。

6.如权利要求1或2所述的一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，其特征在于：所述转接模块包括50针数据输入接口，和8组数据输出端口。

7.如权利要求4所述的一种改进CPLD设计的LED显示屏异步显示控制系统，其特征在于，所述异步显示控制系统实现数据存储和控制信号输出的具体过程包括：

步骤1、LPC2214通过数据线传输数据给CPLD的数据存储模块；

步骤2、LPC2214通过数据线传输数据给74LS374，LPC2214传输该数据的同时发送控制信号给CPLD的使能信号控制模块，CPLD的使能信号控制模块收到信号后发出使能信号，控制74LS374工作；

步骤3、LPC2214发送时钟信号给CPLD的时钟信号控制模块，CPLD的时钟信号控制模块收到信号后发出时钟信号，完成数据接收缓存；

步骤4、LPC2214发送行选信号给CPLD的行选信号控制模块，CPLD的行选信号控制模块收到信号后，实现自加一；

步骤5、LPC2214发送点屏信号给CPLD的点屏信号控制模块，CPLD的点屏信号控制模块收到信号后发出点屏信号，点亮每个模块的第一行；

步骤6、重复步骤1至步骤5的过程，完成整屏的点亮。