有关基于嵌入式系统点阵式LED显示屏数据输出速度优化毕业论文写作资料-论文写作网

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摘要:在研究现有LED显示屏控制电路的基础上,本文以嵌入式系统为平台,针对输出函数优化与硬件电路改造方向,提出了提高数据输出速度的实现方法.文中给了该方法的原理与实现过程,并探讨了在使用同一个高速信号源的前提下,读数据信号与屏幕显示等控制信号衔接配合的工作过程.此方法如果与FPGA/CPLD改造、使用更高频率单片机的方式相结合,将会进一会提高显示屏控制电路的性能.实验得出,改造电路可以高至单片机主频的1/4频率送出显示数据.

关键词:嵌入式 LED显示屏高速输出软、硬件优化

中图分类号:TN364+.2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)01(c)-0021-02

在点阵式LED显示屏显示系统中,由于显示面积的不断增大,显示色彩的日益丰富,使得提高数据的输出速度成为显示屏显示系统中要解决的瓶颈问题.目前,要提高显示系统数据的输出速度,除了输出电路比较复杂的采用FPGA/CPLD芯片进行替代外,主要采用的是提高显示系统控制板单片机主频的方法.本文以LED显示屏控制卡为例,给出了在软件优化及硬件电路改造方向上提高显示数据输出速度的实现办法,该方法适用于以嵌入式系统为核心的各种LED显示屏控制卡.

1. 输出函数优化

在编写输出函数时,为了提高数据的输出速度,应尽量减少循环体的使用.特别是从存储器中读数据的代码段部分,应尽量把循环结构改成平铺顺序结构.这样做虽然使输出函数的代码增加不少,但对于目前的微处理器内嵌的Flash存储器来说,增加的代码段占用空间的比例是比较小的,但程序却大大减小了每字节数据输出所耗费的机器周期,经过测算,数据输出速度提高了30%.需要注意的是,如果用C语言编写代码,一定要查看确认所产生的汇编代码与所设计代码的一致性,否则容易产出冗余代码,增大程序运行耗时.

2. 基于信号复用的电路优化

在数据输出到LED显示屏的过程中,需要同时产生不少输出控制信号.如锁存器,收发器及显示屏显示需要的控制信号(LED单元板中HC595的SCK移位、RCK锁存、E使能信号,LED显示屏的显示原理见参考[1],本文不再论述).这些必需信号的产生也增加了数据输出到显示这一过程的时间.如果能够复用读存储器及屏幕显示中的信号,势必减少这一过程的时延.

在LED显示系统中,常把显示数据按行存储到外部ROM/RAM中的办法即是一例.该办法设定存储器的高位并接到LED的行控制线上,数据按行储存,按行读出数据同时开通了行控制信号.下面的信号复用方案也是类似的原理.

在考查读外存的MOVX命令时发现:执行该命令时可产生读信号(RD#),即当读外存时不但不需要另外去产生读信号(RD#),而且还可以将此信号供给触发器74HC273及LED板上的移位信号SCK使用.这里要注意的是:在数据读出后,SCK信号才送出,所以RD#信号不可直接做SCK信号使用,必须做延时处理,本例中的延时约为100ns.

经过改进后的硬件结构图如图2所示.

在图2中,在RD#信号控制下,数据经74HC273送入到LED显示屏.数据移位信号SCK由RD#信号经延时电路演变而来.读出数据并送出显示过程中的控制信号的时序关系如图3所示.

从上图可以看出,P0口在RD#信号为低电平期间读取数据,在RD#信号上升沿时将数据锁存到74HC273,同时RD#信号经延时电路延时约100ns后作为数据移位信号SCK使用,在上升沿时将数据送出到LED显示屏.

该电路的显示程序部分可以参考图1.减少的三条信号产生指令相当于用硬件来实现了,即将软件硬件化.这不仅可以减少控制线,还节约了指令,提高了数据输出并送入到屏幕显示的速度.

3. SPI在数据输出中的使用

在上文中,提出了基于信号复用的电路优化原理与实现方法.但如果要提高数据输出的速度,首先要提高数据的读出速度.由于读出的大片数据都是顺序存放在一起的特点,本文设计了一个提供地址顺序变化的计数器辅助电路,但该电路需要提供触发脉冲的信号源.单片机ALE脚或是利用串行口工作方式1也会产生一定频率的脉冲,但这两种方式使用均有一定的限制,且没有SPI方式下产生的脉冲频率高.

SPI的全称是“Serial Peripheral Interface”,意为串行论文范文接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的.SPI系统使用四个I/O脚,它们是串行时钟SPSCK,主机输入/从机输出数据线MISO,主机输出/从机输入数据线MOSI和低位有效的从机选择数据线SS.SPSCK用于同步数据从MOSI输入和MISO的输出传送,通过对SPI控制寄存器SPCR的设置,SPSCK的频率最高可以达振荡器频率(fOSC)的1/4.

在控制卡设计中,可以考虑增加一块SPI模式的FLASH存储器,一方面可以保存重要文档,另一方面可以利用SPSCK产生的信号,实现对外部存储器件进行高速读出数据,并将该信号转换提供给显示屏控制使用,从而实现显示屏的同步高速显示.

在利用SPSCK的信号进行外部存储器件的读写时,本文设计构建了一个计数器电路来保存读写的初始地址,再利用SPSCK供给的脉冲,实现对计数器组保存地址的顺序增加,以达到对数据顺序地进行高速读出的目的.

图4给出了SPI配合计数器对存储器进行快速读出操作的具体实现电路.级联计数器的个数,根据ROM/RAM的容量大小(地址线的数目)来确定.微处理器通过驱动器连接SPI串行存储器,驱动器可以选择7407或7417的型号.RM_MODE用来区别不同的读写操作方式.当RM_MODE等于1时,是常规读写外部存储器的方式,当RM_MODE等于0时,就可以让主机作为主器件,串行FLASH存储器作为从器件,两者以SPI方式进行通信,利用此时产生的SPSCK信号对存储器进行高速读数据操作.并且SPSCK信号经过变换与延时处理,可以供给LED做移位信号SCK使用.

图5为使用LA5034逻辑分析仪的测量结果.单片机配备的晶振为36MHz,SCK信号的频率测量结果约为9M,即主频的1/4.

从调试的情况来看,应用此方式需要注意以下问题.

使用SPSCK信号读取外部储存器时,同样会产生SPI主从、模式下的数据溢出错误,即连续传输多个数据时,后一个数据覆盖了前一个数据而产生的错误.这种错误产生的原因是从器件的传输标志SPIF从相对于主器件的传输标志SPIF主有一定的滞后,在主器件连续发送数据时,会导致从器件的传输标志和主器件下一个数据的传输标志相重叠,而利用SPSCK触发计数器使地址递加读取数据时,第一个收到的数据也会被覆盖.先启动SPI模式,再进入计数器读外存模式,可避免数据溢出错误.

另外要注意计数器及外存芯片的读写速度必须与SPSCK相匹配.器件读取速度越高,数据出错的几率越小.在测试中发现,存取时间35ns的RAM芯片与此模式匹配效果最好.

4. 结语

在显示设备对数据输出速度的要求日益提高的背景下,目前对控制设备进行改造的过程中,许多方案采用的是更换更高速率的微处理器的办法,而对软件的优化及硬件电路的挖潜往往容易被忽视.本文给出的例子虽是基于LED显示屏应用的,但在LCD显示屏等其他对数据有高速输出要求的系统中,同样具有借鉴意义.在实践运用中,建议应先考虑在原有的系统上进行软件优化及硬件电路挖潜改造,如仍不能满足显示要求再考虑更换高速率微处理器及用FPGA/CPLD器件进行输出电路替代处理的方案.如果以上两种方案配合使用,不但能提高数据的输出速率,还将大大降低控制电路的制作成本,提高了系统的整体性能.

参考文献

[1] 诸昌钤.LED显示屏系统原理及工程技术[M].成都:电子科技大学出版社,2000.

[2] 陈光绒.单片机技术应用教程[M].北京:北京大学出版社,2006.