基于LPC2214的LED顯示屏控制系統硬件設計

陳 希，勾 榮，李 農

傳統的大屏幕顯示技術以簡單的8位或者16位單片微控制器為核心，其運算速度、內存容量、存儲空間和通訊方式等方面存在著很大的局限性，難以實現高難度圖文動態特技顯示和高灰度級顯示的功能，無法滿足信息容量大和處理速度很高的。

筆者提出基于LPC2214的控制系統的硬件設計。該系統以ARM為核心，將上位機發送的內容保存在存儲芯片內，通過系統處理顯示在LED屏上，實現全彩LED顯示屏的異步控制，且畫質穩定，色彩分辨率高，刷新頻率高。

一、LED顯示屏工作原理

1.LED工作原理

LED顯示屏利用發光二極管點陣模塊或像素單元組成的平面式顯示屏幕。[1]每一個顯示模塊由一組二極管矩陣排列并進行封裝而成。

由于LED不能直接用電源供電，一般采用掃描驅動的方式，該顯示方式利用人眼的特性[2]，LED以高頻率的電流脈沖進行驅動時，人眼感受的是有效亮度的平均值。理論上，LED采用1∶16的方式驅動，脈沖電流應為恒流值的16倍，能得到相同的亮度效果。

2.異步全彩LED顯示屏系統組成

LED顯示屏由8×4個顯示模塊組成64×32的點陣，通過MOS管、3-8線譯碼器、單穩態觸發器以及電流驅動芯片，實現對顯示屏的控制。對外有CLK、STR、G1、G2、R1、R2、A、B、C等9個輸入端。其功能如表1所示。

為了顯示更多的內容，LED顯示屏預留了級聯端，可以64×32點陣為基數，擴展成更多點陣的顯示屏。

表1 LED顯示屏對外接口功能表

二、系統組成及硬件設計

1.系統組成

本系統選用的是NXP公司的LPC2214芯片，該芯片很適合終端類產品的開發。[3]LPC2214芯片引腳配置如圖1所示。

圖1 LPC2214芯片引腳配置圖

本系統由ARM處理器LPC2214完成數據的接收控制，顯示屏系統完成LED顯示屏的驅動以及數據緩存，系統組成框圖如圖2所示。

圖2 系統組成框圖

2.電源電路

電源系統為整個系統提供能量，是整個系統工作的基礎，具有極其重要的地位。對于LPC2214微控制器，只需要兩組3.3V和1.8V，[4]原理圖如圖3和圖4所示。另外部分器件需要5V直流穩壓電源。

圖3 輸出3.3V電源電路

圖4 輸出1.8V電源電路

LPC2214微控制器1.8V電源消耗電流的極限值為70mA。為了保證可靠性并為以后升級留下余量，則電源系統1.8V能夠提供的電流應當大于300mA。

整個系統在3.3V上消耗的電流與外部條件有很大的關系，這里假設電流不超過200mA，這樣，電源系統3.3V能夠提供600mA電流即可。分析得到以下參數：3.3V電源設計最大電流為600mA；1.8V電源設計最大電流為300mA。

3.FLASH存儲器接口電路

FLASH存儲器是一種可在系統進行在線擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區在系統編程、擦除等特點。[5]與傳統的ROM和EPROM相比，它可以通過與之相連的微處理器在線編程和擦除。作為一種非易失性存儲器，FLASH在系統中通常用于存放一些在系統掉電后需要保存的用戶數據等。

本系統中選用的FLASH存儲器為SST39VF160，其工作電壓為2.7V～3.6V，單片存儲器容量為IM字節，16位數據寬度，采用48腳TSOP封裝，可以以8位(字節模式)或16位(字模式)數據寬度的方式工作。該器件提供了70ns、90ns、120ns讀取時間，無需高速微處理器插入等待狀態進行速度匹配。

FLASH存儲器在系統中用于存放需要顯示的文字與圖形信息，將LPC2214的PI.0/CS0與SST39VF160的片選信號CE端相連。此外，應將FLASH配置為16位數據寬度的工作方式。其接口線為：

數據線部分：LPC2214的低16位數據總線[P2.0/D0-P2.15/D15]與SST39VF160的[DQO-DQ15]相連。

地址線部分：LPC2214的[P3.1/A1-P3.20/A20]與SST39VF160的[A0-A19]相連。LPC2214的P1.0/CS0接至SST39VF160的片選端CE。

控制線部分: SST39VF160的讀寫線OE、WE分別與LPC2214的P1.1/OE、P3.27/WE相連。

圖5 FLASH接口電路示意圖

4.SRAM存儲器接口電路

除了高校自行創作藝術文化作品以外，還有受到地方政府或國家政策扶持的藝術文化作品創作。以河北農業大學為例，2017年繼李保國教授去世后，電影《李保國》、電視連續劇《太行赤子李保國》在河北農業大學相繼開始拍攝。在拍攝過程中，我校學生通過參與影片的拍攝以及對李保國教授所帶來的影響的學習和感受，使得學校眾多學生，對李保國精神有了更深層次的理解，對“太行山精神”“太行山道路”與我校的聯系有了更深刻的認識和感觸。

SRAM不具有掉電保持數據的特性，但其存取速度遠遠高于FLASH存儲器，且具有讀/寫的屬性，同時利用ARM微處理器存儲器接口提供的SRAM控制器接口。因此，本設計采用SRAM用于數據存儲空間。[7]當系統啟動時，CPU首先從復位地址0×0處讀取啟動代碼，在完成系統的初始化后，所有的代碼在片內FLASH中運行。同時，系統及用戶堆棧則放在片內SRAM中。SRAM的容量是根據全局數據的最大數而確定的，本系統中使用的SRAM是IS61LV25616，單片存儲容量為256K字節，16位數據寬度，工作電壓為3.3V，訪問速度為10ns，采用44腳TS0P封裝。

圖6 SRRAM接口電路示意圖

三、總體設計

本設計采用C語言和匯編語言嵌套的方式，對時間有嚴格要求的任務切換函數、中斷入口和出口程序采用匯編語言編寫，作為啟動代碼的一部分。而由于主程序實現功能較多，而且對時間要求不太嚴格，因此采用可讀性和移植性很強的C語言編寫。

1.GPIO配置

屏體部分獨立供電，有CLK、STR、G1、G2、R1、R2、A、B、C等9個輸入端，可利用LPC2214的GPIO口來控制。

LPC2214的GPIO為全雙向I/O口，可以獨立控制每一根I/O口線的狀態是輸入還是輸出。每個作為GPIO功能的引腳受到4個寄存器控制，分別為控制方向的IOxDIR、控制輸出電平狀態的IOxSET和IOxCLR、反映引腳電平狀態的IOxPIN。[6]這4個寄存器構成一組，而一組寄存器控制著一個端口(P0、P1、P2或P3)。

為了便于控制，本設計采用P1口與顯示屏系統進行連接。具體連接方式為：

#define G1 0x00010000

#define G2 0x00020000

#define C 0x00200000

#define B 0x00400000

#define A 0x00800000

#define STR 0x00100000

設置引腳值寄存器PINSEL1 = 0x00000000; 控制方向寄存器IO1DIR= 0x01FF0000;

2.顯示代碼

利用數組對顯示數據進行操作，可實現顯示內容的循環。

if( (word1&0x00008000)!=0)

{if ((16*j+clock-k)<0) point1[16*j+clock-k+64]=1;

else point1[16*j+clock-k]=1;

}

else

{if ((16*j+clock-k)<0) point1[16*j+clock-k+64]=0;

else point1[16*j+clock-k]=0;

}

word1=word1<<1;

四、設計結果與分析

字符顯示采用16×16點陣，即每一個漢字均由16行16列的點陣組成顯示。[7]經字符提取軟件，將需顯示的漢字轉換為相應的字模。編寫GPIO口的相關代碼，進行調試后，將目標代碼下載至LPC2214片內FLASH，驗證顯示信息是否正常。實踐證明，顯示屏顯示信息，達到設計要求，系統驗證成功。由此，該系統可顯示任意內容，單屏可顯示2行4列，共8個漢字。通過顯示屏的級聯端，可以顯示更多的內容。通過改變代碼，可以實現漢字的滾屏顯示。由于LPC2214指令執行速度快，存儲容量大，該系統的刷新頻率高，顯示內容穩定清晰。

本文重點探討了基于LPC2214的LED顯示屏系統的硬件設計，主要解決GPIO口與LED屏體的接口問題。在此基礎上，通過軟件設計，使LED顯示屏在顯示功能上實現各類動態圖形處理。采用高性能的32位ARM微處理器替代傳統的8/16位單片機，利用FLASH、SRAM設計的全彩LED顯示屏控制系統，具有更強大的功能和實時處理能力。LPC2214豐富的GPIO口可根據實際需要進行功能擴展，能滿足異步全彩LED顯示屏在顯示高灰度、高復雜性、高速度和大容量數據傳輸的顯示要求，使顯示內容更加豐富，展現了很好的顯示效果，在同類產品中具有較高的技術含量和市場競爭力。

[1]李秀忠.基于單片機的LED顯示屏控制電路設計[J].現代電子技術，2010(15):200-202.

[2]于慧.基于ARM和CPLD的LED彩屏顯示系統的研究[D].西安：西北工業大學,2007:4-12.

[3]廣州周立功單片機發展有限公司.LPC2214中文手冊[EB/OL].[2012-02-02].http://wenku.baidu.com/view/607fbd00de80d4d8d15a4f34.html.

[4]周立功.ARM嵌入式系統實驗教程(二)[M].北京:航空航天大學出版社,2005:4-9.

[5]尤永.基于ARM的全彩LED顯示屏控制系統的設計[J].燈與照明，2009(1):47-49.

[6]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].2版.北京:航空航天大學出版社,2008:179-187.

[7]南京洛普公司.LED顯示屏的檢測方法[J].現代顯示，2001(1):51-58.