基于無線網絡的LED顯示屏控制系統的設計與應用

摘 要：本文首先介紹了LED顯示屏使用的廣泛需求以及采用基于無線網絡的LED顯示屏控制系統的必要性，對LED顯示屏工作原理進行簡單分析，提出了使用嵌入式處理器LPC2124作為控制核心，使用挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器nRF905傳送無線顯示信息的總體設計方案；并對整個系統的硬件模塊與軟件系統進行設計，最終實現整個系統的功能。

關鍵詞：LED顯示屏 嵌入式處理器 無線網絡 單片射頻發射器

中圖分類號：TN2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0088-01

通過控制半導體發光二極管來進行顯示的模式被稱為LED顯示屏，單色LED通常由多個紅色的發光二極管組成，通過發光二極管的亮滅組合來顯示字符。LED顯示屏最初應用于公共信息的展示，隨著色彩的增加，彩色LED顯示屏開始普及并向消費類多媒體（如工業、交通、金融、信息廣告及大型體育賽況直播）應用滲透，迅速發展成一種電子廣告新媒體。

隨著LED顯示屏越來越廣的應用，有一些問題也逐漸暴露出來。特別是在數據傳輸方式上，有線數據傳送已經不能滿足技術上和經濟上的要求。無論是高速公路上的，還是機場、碼頭、廣場、大廈上的大型LED顯示屏，都帶有長長的電纜或光纜，不僅增加了費用，而且容易在通信上造成故障，所以采用無線傳輸方式勢在必行。

1 LED顯示屏工作原理

1.1 LED顯示屏的結構及驅動

LED顯示屏原理圖如圖1所示，顯示屏由控制電路、LED點陣板、驅動器組成。

控制電路通常采用微處理器，主要負責存儲（或生成）顯示數據、安排控制信號的定時與順序、與上位機進行通信等；要實現LED點陣顯示板的控制，需要在軟件和硬件兩方面來進行設計。

屏體的主要由LED點陣顯示板組成，還包括相應的行列驅動器。

1.2 LED顯示屏的驅動原理

由于采用不同的LED顯示屏硬件設計方案，LED顯示屏驅動分為靜態驅動和動態驅動兩大類。一些大型的LED顯示屏由于顯示的LED燈數量較多，所以不建議采用靜態驅動的方案，通常采用動態驅動掃描模式。

采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。由行譯碼器給出行有效信號，從第一行開始，按順序依次對各行進行掃描（把該行與電源一端接通）。另一方面，根據各列鎖存的數據，確定相應的列驅動器是否將該列與電源的另一端接通。接通的列，就在該行該列點亮LED，未接通的列所對應的LED熄滅。當一行的持續掃描時間結束后，下一行又以同樣的方法進行顯示。

2 系統硬件設計概述

根據LED顯示屏控制系統的原理及顯示設備驅動的具體要求，我們采用了基于ARM的32位嵌入式RISC微處理器LPC2124作為控制核心，由于LPC2124所具有的豐富的接口資源，在很大程度上減少了控制器的體積，增加了系統的可靠性。

在無線數傳模塊的選用上，無線收發芯片的選擇在設計中是至關重要的。為了使本系統結構簡單，性能穩定，所以選擇用了芯片所需的外圍元件數量少，功耗低集發射和接收一體的單片收發芯片nRF905作為系統的無線收發芯片。

3 系統軟件設計概述

3.1 ARM匯編語言程序

匯編語言是一種功能很強的程序設計語言，也是利用計算機所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。目前在嵌入式開發、單片機開發、系統軟件設計、某些快速處理、位處理、訪問硬件設備等高效程序的設計方面有較多應用。ARM處理器是一種16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器，由ARM公司設計，然后授權給各半導體廠商生產。

3.2 串口通信程序設計

本系統電腦中安裝控制軟件，通過控制軟件將文字或圖形轉換成LED顯示屏能夠識別的點陣結構，并且通過串口線或者網線傳輸至顯示屏控制模塊。

3.3 ARM的SPI口程序設計

SPI總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置FLASHRAM、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數據線MOSI）。

3.4 無線通信模塊程序設計

本次設計采用的nRF905使用了VLSI ShockBurst技術。ShockBurst技術使nRF905能夠提供高速的數據傳輸，通過將與RF協議有關的高速信號處理放到芯片內，nRF905提供給應用的微控制器一個SPI接口，速率由微控制器自己設定的接口速度決定，在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和數據準備就緒DR信號通知MCU一個有效的地址和數據包已經各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自動產生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒DR信號通知MCU數據傳輸已經完成。nRF905的工作模式由微處理器控制nRF905的引腳由TRX_CE、PWR—UP和TX-ENZ個引腳控的電平高低來控制。

4 總結和展望

在本論文中，針對LED顯示屏的無線傳輸中設計的硬件系統和軟件系統進行了設計和研究，雖然取得了一定的成效，也有個別地方改進和優化。

（1）彩色LED顯示屏由于點陣密度和色彩的原因，實現無線網絡傳輸比較困難，還有待進一步進行相關研究。

（2）在程序設計的過程中，僅僅實現了基本的無線傳輸功能，對于字幕特效和時鐘圖形等相關技術細節的設計還需要完善。