基于嵌入式的GPRS远程控制的大屏幕LED显示系统的研究精.docx
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基于嵌入式的GPRS远程控制的大屏幕LED显示系统的研究精
武汉工业学院
硕士学位论文
基于嵌入式的GPRS远程控制的大屏幕LED显示系统的研究姓名:
葛洲
申请学位级别:
硕士
专业:
机械设计及理论
指导教师:
秦实宏
20080601
摘要
近年来,LED显示屏作为一种高科技产品广泛应用于诸多领域,日益引起人们的重视。
尽管目前LED显示屏的应用范围越来越广,但是在应用中也存在着诸多不便之处。
例如LED显示屏需要现场编程更新数据等。
本文研究讨论了一种基于GPRS无线通信的低成本LED文字显示屏的控制系统,并研究了一种无线远程控制的大屏幕显示系统的软硬件方案。
文章首先介绍了LED显示屏的工作原理,提出了本显示系统的结构组成,然后具体阐述系统的硬件和软件设计过程;介绍了GPRS技术,并分析了其在无线远程控制大屏幕显示屏上的应用;接着又分析了嵌入式CPUARM的用于显示系统的技术情况。
这个32位的RISC处理器,负责接收上位机发送的指令集并解析指令集、产生字模数据和提供显存相关的操作,并与FPGA通信;FPGA则用于LED显示屏的扫描驱动电路设计,重点介绍了其内部的功能模块;最后简要的介绍了绘制PCB板时的原则。
本文方案实现了大屏幕字符信息的动态显示,是一种具有实际应用价值的远程可控的LED大屏幕显示系统。
关键词:
大屏幕,LED,嵌入式,ARM,FPGA,GPRS,远程控制
ABSTRACT
Asahightechnologyproduction,LED(LightEmittingDiodedisplayscreenattractsmoreandmorepeopleinrecentyears.WiththeLEDdisplayscreenwidelyusedinmanyfields,thereexposedsomenewproblemsintheapplication:
forexample,itisnecessarytoprograminfieldtocontrolaLEDdisplayscreen,etc.Inthispaper,amethodisproposedwhichcancontrolthelowcostLEDdisplayscreenremotelywithoutinfield.ThecontrolsystemhadbeengiveonebasedonGPRS,awirelesscommunicationmode,andanintegratedandfeasiblesolutionofhardwaredesign.
Firstly,thepaperintroducestheoperatingPrincipleofLEDdisplayscreenandPutsforwardoriginallystructurecomposition.Secondly,thepaperexplainsthehardwareandsoftwaredesignprocessofLEDdisplaysystem.ARMis32bitsRISCprocessor.Itisresponsibleforreceivinginstructionandanalyzingit,supportingtheoperationaboutdisplaymemory,andcommunicatingwithFPGA.FPGAisresponsibleforscanninganddrivingcircuitofLEDdisplay.Finally,somekeysofdrawingPCBaregiven.Thedisplaysystemrealizesthedynamicdisplayoflettersandpictures.Inword,itisremotecontrolLEDscreendisplaysystemwhichisworthyofrealapplication.
Keywords:
LatticeDisplay,LED,Embedded,ARM,FPGA,GPRS,Remote
论文独创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉工业学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对本文的研究做出重要贡献的个人或集体均已在文中作了明确的说明并表示谢意。
本人完全意识到本声明的法律责任和法律后果由本人承担。
论文作者签名:
签字日期:
年月日
论文版权使用授权书
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同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。
(保密的学位论文在解密后适用本授权说明
论文作者签名:
导师签名:
签字日期:
年月日签字日期:
年月日
第1章绪论
第一章绪论
1.1LED显示技术的发展历程简述
随着我国的LED显示屏行业近几年非常迅速的发展,显示屏的技术方面也取得了很大的进步,但长久以来显示屏在接口方面不够丰富,以串行技术接口为主,缺少一种低成本多态接口,甚至是远程控制方式的接口。
为解决这个问题,经过技术方案的论证,本文提出了以下的这种基于ARM嵌入式核心的、多种接口复合、以远程GPRS全功能控制为主的大屏幕LED显示屏。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。
它是多种技术综合应用的产品,涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方面,既有硬件又有软件。
LED显示屏是作为广播、电视、报纸、杂志之后的又一新传播媒体。
由于它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点,自20世纪80年代后期开始,随着LED制造技术的不断完善,在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后,特别是进入90年代国民经济高速增长,对公众场合发布信息的需求日益强烈,LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势,因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。
LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏,到图像显示屏,一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。
目前LED显示屏根据使用场所不同,可以分为室外屏和室内屏两种,其主要区别是发光管的发光亮度不同。
而根据所显示的内容不同也可以分为图像屏和文字屏两种,图像屏可以显示图象以及多媒体,而文字屏则主要显示文字,也可以显示简单的固定图像。
显示图像的多媒体室外屏是投资巨大(高达数百万的大型高档设备,主要应用在大型公共场所、形象工程和一些重要场所。
LED显示屏的应用涉及到社会经济的许多领域[2],已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。
早期研制出的LED只能发红色的光,其超的功耗性能,使其广泛应用于电子设备中的指示灯。
如今的LED各种光束,包括在同一个灯管中加进复合
LED有很多突出的优点:
低功耗、寿命长,还有低生产成本和维护成本。
其外其应用比较灵活,可以做成各式各样的轻薄产品。
由于光谱中没有紫外线和红外线,也没有辐射,属于典型的绿色照明光源。
在扫描场频方面:
高端的LED显示系统已经实现了120Hz的扫描频率,甚至更高到180Hz至400Hz。
越高的场频将带来越小的闪烁同时得到越好图像质量。
在LED控制方面,我们只需要对LED的一极的电流整定就可以得到丰富多彩的变化效果。
作为城市的夜景照明,LED显示技术已经得到了广泛的运用。
同时,在制造工艺不断提升的基础上,LED的体积和寿命等性能也能进一步满足各种场合的需求。
高性能处理器和FPGA得到了广泛的应用。
LED显示技术也更加的灵活和丰富。
高性能的ARM处理器应用于显示,可轻松地完成各种显示特效。
这在以前使用单片机的时代实现起来并不那么容易的。
显而易见,随着信息化社会逐渐深入,LED显示屏的应用前景将更为广阔,适合于广域控制、全功能控制要求的大屏幕LED显示屏预计将会有良好的应用。
它可为信息服务领域提供更加丰富灵活的显示设备,提供在例如公共交通、多点控制显示等的综合服务。
1.2LED显示系统的国内外发展现况
在高亮度大屏幕视频显示技术方面,JumboTron系统被公认为是世界的领先者[3]。
JumboTron的技术特点在于采用了独特的图像控制器,确保了图像的高清晰度。
目前,全世界有23个国家在使用JumboTron超大屏幕电子显示屏,总使用面积已超过14000平方米。
我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步,国内的LED显示屏发展经历了三个阶段:
1、1990年以前LED显示屏的成长形成时期
一方面,受LED材料器件的限制,LED显示屏的应用领域没有广泛展开。
另一方面,显示屏控制技术基本上是通信控制方式,客观上影响了显示效果。
这一时期的LED显示屏在国外应用较广,国内没有广泛使用。
2、1990~1995年,LED显示屏迅速发展的时期
进入90年代后,LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。
LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏,到图像显示屏,一直到全彩色视频显示屏的发展过程。
无论在器件的性能(超高亮度及蓝色发光灯等和系统的组成(计算机化的全动态显示系统等方面都取得了长足的进步。
3、1995年以来,LED显示屏应用领域更为广阔[4]
近年在全彩色LED显示屏、高清晰度视频控制技术、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现。
其中,南京洛普股份有限公司、北京利亚德股份有限公司等,是专业从事大型公众信息显示屏的企业,产品己批量出口,在本行业中获有较高的知名度[5]。
目前LED电子显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀性、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展,系统的运行,操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。
二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代,LED显示屏作为平板显示的主导产品之一将有更大的发展。
1、高亮度、全彩化
蓝色及绿色超高亮度LED产品出现以来,成本逐年快速降低,使LED全彩色显示屏产品成本下降,推广速度加快。
同时,随着控制技术的发展和LED显示屏体稳定性的提高,使全彩色LED显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果,完全可以满足户外全天候的环境条件要求,而且图像更清晰、更细腻、更亮丽。
2、标准化、规范化
材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后,LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个趋势。
近几年业内的发展中,几番价格回落调整达到基本均衡后,产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素,这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高的要求。
行业规范和标准体系的形成,ISO9000系列标准的应用,使LED显示屏行业的发展趋于有序[5]。
3、产品结构多样化
随着信息化社会的形成,信息领域愈加广泛,LED显示屏的应用前景更为广阔。
预计大型或超大型LED显示屏为主流产品的局面将会发生改变,适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高;面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富;部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破,如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高;大批量、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。
1.3本文主要研究的内容
毫无疑问,LED显示屏的应用数量会越来越多,而管理和维护这些显的信息将会是一项难题。
急需一种能多点控制和可移动控制的显示控制技术出现。
本文讨论的技术就是一种克服了以下困难的显示控制方案[6]。
1、信息管理的问题
显示屏的内容需要即时适时地更新。
如果显示屏跟管理的距离比较远或者是在公共交通这种实时移动的显示设备上,内容更新显然不能通过常规的,用下载设备下载到显示屏中。
这时就需要一种可靠的更新方式。
本文讨论的GPRS方式就是一种低成本的传送方式。
显示屏更新的过程只需要在内容提供的服务器端发出控制指令,显示终端就可以依照指令灵活地更改。
这样不仅能降低管理成本,还能大大地提高LED显示系统的工作效率,2、多点同时发布信息的问题
当显示屏需要在不同地点做出相同显示内容的时候,本文讨论的这种无线信息传输方案就可以完成传统的下载方式不可能同时完成的多点同步数据更新的功能。
比如在一个体育场里,四周有显示比分的若干个显示屏。
这时在免布线的情况下,就可以实现低成本的数据同步更新。
甚至在不同的城市,也可以同步实时的显示服务器发出的相同的显示内容。
这样就大大拓展了LED显示系统的应用地域限制,也提高和系统的利用率。
3、设备维护的问题
可以通过嵌入式控制系统实现设备的简单智能诊断,从而在服务器端就可以知道LED显示系统出了什么样的问题,要求维修人员检修。
避免了传统显示系统,有了故障不会报警,还需要维护人员定期去查看的问题,实现了简单功能的无人执守显示系统设备。
因此,针对以上缺憾,本文提出了一种无线远程控制的大屏幕显示系统的软硬件方案。
文章首先介绍了LED显示屏的工作原理,提出了本显示系统的结构组成,然后具体阐述系统的硬件和软件设计过程。
介绍了GPRS技术,并分析了其在无线远程控制大屏幕显示屏上的应用。
接着又分析了嵌入式CPUARM的用于显示系统的技术情况。
这个32位的RISC处理器,负责接收上位机发送的指令集并解析指令集、产生字模数据和提供显存相关的操作,并与FPGA通信。
FPGA则用于LED显示屏的扫描驱动电路设计,重点介绍了其内部的功能模块。
最后简要的介绍了绘制PCB板时的原则。
本文方案实现了文字和图形的动态显示,是一种具有实际应用价值的远程可控的LED大屏幕显示系统。
第二章LED显示系统相关技术与方案的分析
第二章LED显示系统相关技术与方案的分析
2.1LED显示的原理及其分析
2.1.1LED发光二极管的原理简介
LED(Light-EmittingDiode是发光二极管的英文缩写。
罗塞夫在1923年就发现了半导体SiC中偶然形成的P-N结中的光发射,但利用半导体的P-N结电致发光原理制成的发光二极管只是到了60年代后期才得以迅速发展。
近年来,由于半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善,发光二极管已日益在固体显示中占主导地位,并且大有替代传统发光设备的趋势。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为P-N结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电流发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压,电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有。
描述LED的特性有许多参数,这些参数之间的关系呈现非线性。
因此,用特性曲线来描述这些关系,在工程应用中更具有使用价值。
比如光强特性:
发光强度与正向电流的关系和正向伏安特性。
如图2-1和图2-2所示。
武汉工业学院硕士学位论文
图2-1LED二极管光强与正向电流值关系的示意图
Fig.2-1theRelationofIntensityandCurrentaboutLEDDiode
图2-2LED二极管的伏安特性示意图
Fig.2-2theRelationofVoltageandCurrentaboutLEDDiode
现今的LED发光元件通常被封装成显示模块,只需要对LED模块的控制
脚发电平信号即可对显示状态进行控制。
2.1.2本课题显示方式的分析
我们的方案要求显示屏具有高动态性能,在实时更新的显示数据的前提下,提供一套实时显示的系统。
这就要求系统中必须要有高速数据处理电路,以防止在扫描过程中丢失数据。
所以本方案中LED大屏幕显示的高速数据模块采用主控处理器与缓冲处理器相结合方案。
FPGA的驱动能力比主控的ARM芯片要大,在I/O点方面也更加丰富,可以实现对行列信号并行控制。
同时,在扫描方式下,可以实现两帧图像的双缓冲技术。
在一帧图像扫描的同时,即在FPGA里缓冲下一帧的信息。
2.2扫描显示驱动的原理及其分析
LED显示模块是指通过行列排列组成显示屏幕。
LED可以有多种的产品形式,常见的七段管形式或米子形可显示英文字母的形式。
单管也是一种形式,甚至还可以按照用户的要求订做特定形。
本文讨论的是一种汉字和图形常见的点阵式的LED显示模块。
它的屏幕是由大量的LED单管组成阵列形式,如我们常见的电视机的显像管一样的,以行列扫描的方式显示图像。
当一屏LED点阵扫描完毕即完成了一帧的图像的显示。
点阵屏的刷新显示原理也有几种不同的方式:
1、锁存型
锁存型指显示屏上每一个LED模块都由一个对应的锁存器驱动,即行列扫描驱动器不需要实时地挨个对LED扫描,每一个LED的亮度占空比均为100%。
这样做能够有效地保证LED显示屏的亮度。
同时也减少了刷屏对LED管的电流冲击,提高了LED管的寿命。
但这种方案的动态显示性能不高。
原因就在于送显的信号都要经过锁存器I/O读写。
在动画显示方面,刷新率就难以保证很高,影响了显示屏的亮度和响应速度。
但在大型的户外更新率不高的广告显示屏上,锁存型系统也有较广泛的应用。
2、扫描型
扫描型LED显示屏是指显示屏上一行或者若干行共用一个行驱动器,控制器在列上实时地对LED管进行显示扫描。
在这种系统中,屏幕信息的刷新是靠驱动寄存器时分工作实现的。
只要屏幕的刷新频率在50Hz以上,人眼就不会感到闪烁。
因为驱动寄存器的时分工作,使每一个LED的亮度占空比没有锁存型显示屏的高,所以导致LED亮度降低。
为了提高显示屏亮度往往使LED在超额电流状态下工作。
扫描型驱动电路设计比较简单、成本低,较多应用于响应速度要求较高的动态显示屏上。
图2-3扫描型驱动时间与电流的关系示意图
Fig.2-3theRelationofTimeandCurrentaboutScanningLEDDrivers2.3基于GPRS无线通讯的显示系统简介与分析
通常将移动通信被划分为三个阶段。
第一个阶段是模拟组网的无线网络,第二个阶段是全数字组网的无线网络,技术方案包括GSM(GlobalSystemforMobileCommunication和CDMA(CodeDivisionMultipleAccess等,第三个阶段则在第二代全数字网络成熟后,提出的分组型的移动业务,称为3G。
GPRS是通用无线分组业务的缩写(GeneralPacketRadioSystem,是介于第二阶段和第三阶段之间的一种技术,通常称为2.5G,通过现有的GSM网络升级实现。
传统第二代的GSM网络最高的数据传送速率仅为9.6kbit/S,这远远不能满足用户对数字语音和图像无线数据业务的需求。
GPRS是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。
GPRS是构建在传统GSM网络之上的一种标
准化的分组交换数据业务[7],它可以提供高达115kbit/s速率的分组数据业务,从而使得包括图片、话音和视频的多媒体业务在无线网络中的传输成为现实。
GPRS使若干移动用户能够同时共享一个无线信道,一个移动用户也可以使用多个无线信道。
在实际不发送或不接收数据的时,用户仅占用很小一部分网络资源。
GPRS采用分组交换技术在通信的过程中不需要建立和保持电路,并且建立一个新连接的时间很短。
GPRS根据用户使用的实际数据流量计费,而不是通常以连接时间计算的方式。
这样就允许用户始终在线,而不增加额外的成本。
GPRS是GSMPhase2.1规范实现的内容之一。
GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。
因此,GPRS系统是在GSM系统的基础上构建的,GSM系统中的绝大部分硬件都没有作改动,只作了软件升级。
为了实现GPRS,需要在现有的GSM网络中引入三种新的逻辑网络实体[25]:
1、GPRS服务支持结点(SGSN,ServingGPRSSupportingNode;
2、GPRS网关支持结点(GGSN,GatewayGPRSSupportingNode;
3、分组控制单元(PCU,PacketControlUnit。
SGSN提供GPRS网络与外部分组数据网络之间的交互操作。
在基站子系统中,PCU负责管理分组分段和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道编码方案、质量控制、功率控制等。
2.3.1GPRS应用于显示系统的优势
GPRS技术具体如下的几点特点:
1、GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级的计费功能。
计费方式非常适宜需要长期在线的显示控制系统。
2、GPRS网络接入速度快,提供了与现有数据网的无缝连接。
避免了用户由于使用无线数据功能而重新组网的费用,而且基于GSM网络的GPRS服务是覆盖全国的商用移动网络,这样就为我们的系统提供了相当广域的控制范围。
与常见两种联网方式传输率比较如表2-1所示。
带宽
信号延迟
表2-1常见的入网方式通信性质的比较
Tab.2-1theComparingofCharacteristicaboutCommonConnectingModestoInternet3、GPRS的核心网络层采用IP技术,底层款可使用多种传输技术,很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。
4、GPRS支持偶尔的大量数据的传输,而且具有防断流的能力,能在0.5~1秒之内恢复数据的重新传输。
5、GPRS采用分组交换技术,
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