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基于多扫描线数据组织方法的LED显示屏控制系统设计.pdf

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西南交通大学硕士研究生学位论文 第1II页contol system designed for largescale LED panels based on the is intruduced.Keywordsmultiscanning beam;data organization;LED panel;controlsystem;VRS5 1 L3074西南交通大学囱南爻逋大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密口,在 年解密后适用本授权书;2.不保密厨,使用本授权书。请在以上方框内打“√”学位论文作者签名季泠日期栅年7月指导老师签名j勘彰LEt期刀年尸月西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下本文主要的创新点是对多扫描线显示系统的数据组织方法进行了较深入的探讨,明确提出了数据组织的基本原则,并在此基础上分析了兼容不同显示方式的统一算法。西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页第1章绪 论1.1课题的研究背景及意义在现代信息社会中,作为人机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到了迅速发展,二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。作为平板显示的主导产品之一,LED显示屏无疑会取得更大的发展而成为未来平板显示的代表性产品。2007年底,经过科技人员十余年的技术攻关,世界首创的“全彩色LED集成三合一显示屏【l】,’由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功,首次提出了“集成三合一”的概念。其核心技术是拥有完全自主知识产权的“适合大规模批量化生产的LED显示屏亮度、色度逐点一致化校正技术”。这项成果取代了此前业界公认为高端的“表贴三合一”产品,改变了国际上以往的LED显示屏设计思路,使世界最新一代LED显示屏的显示效果和可靠性有了重大突破,也使中国企业第一次占领了世界LED显示屏制造行业的制高点这必将积极推动平板显示技术的巨大发展、进一步拓展LED显示屏的应用领域,同时也对LED显示屏控制系统的研发提出了更高的要求。LED1icit emitting diode显示屏是从二十世纪八十年代后期开始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组成大面积显示屏幕,以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、高性价比等特点,在短短的十几年中迅速成长为FPDflat panel display,平板显示器领域的主流产品。与此同时,LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分,也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。目前,LED显示屏已经得到了广泛的应用,并且在露天体育场、音乐会、大型商场等应用领域市场增长显著,年增长率达到25% ---30%拉1。2008年北京奥运会比赛场馆、中央电视台2008年春节联欢晚会演播厅等都大量使用LED大屏幕;2007年3月在德国汉诺威Cebit2007展会上,意大利厂商TecnoVlSlON展出了一款520 am205英寸的LED电视Luxi0205哺1,从而摘得世界最大平板电视的称号。在许多新的领域,LED显示屏也逐渐展现出其优越性,主要包括证券交易及金融信息显示;机场航班动态信息显示;港口车站旅客引导信息显示;一道路交通信息显示;调度指挥中心信息显示;邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示;军队指挥信息显示;在作为西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页广告媒体新产品方面,也呈现出快速增长的态势除单一大型户内、户外显示屏广告媒体外,出现了集群LED显示屏广告系统、列车LED显示屏广告发布系统、电梯显示屏等;在旅游信息发布、导向标、风向标、简介屏等方面也展现出良好的发展前景。近年来LED产业呈快速发展趋势,2005年中国LED的产量达到262.1亿只,产值114.9亿元H3;2006年我国LED产值达140亿元璐1,2007年应用产品产值已超过300亿元∞1,预计2008年应用规模将达到540亿元,到2010年国内LED产业的规模将突破千亿元大关n1。正是由于LED显示屏在FPD领域广阔的应用前景及其在我国电子信息产业中的重要地位,因此在总结现有理论和技术的基础上对LED显示屏系统进行深入细致的研究,具有重要的现实意义。同时,由于LED显示屏系统是涉及电源技术、控制技术、显示技术、存储技术、系统软件技术、接口及驱动技术等多项高新技术的复杂系统,所以进一步提高其信息处理和信息表示的质量、优化其控制实现方案,具有较高的工程技术实用价值。1.2国内外研究现状分析国外对LED显示屏的研究起步较早,目前主要集中于LED的色彩、亮度、材料及生产工艺等方面的研究。日本的Toshiba、Sharp、美国的Cree、德国的Aixtron等公司在此方面都有深入的研究。国内LED显示屏产品的技术水平可与国外同类产品抗衡,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所“全彩色LED集成三合一显示屏”的研制成功更是使中国第一次站在了世界LED显示屏制造技术的最前沿。在LED显示屏控制技术方面,国内的研究成果也处于领先水平16级灰度和256色双基色LED显示屏和64级灰度三基色全彩LED显示屏等标志性产品均是国内厂家独立开发研制并推向市场。在LED显示屏产品中,中国率先独创了非线性调灰控制等技术,国内诸多重大LED显示系统的国际招标项目均由中国企业中标承制。在LED显示屏的可靠性及工作性能评定方面,中科院长春物理研究所进行了较深入的研究利用元器件记数法对LED显示屏的可靠性进行预计;用重要度分配法对双基色LED图文显示屏的可靠性指标进行分配;利用模糊综合评价方法,从模糊失效准则出发对LED显示屏的工作性能进行模糊评价。无锡东大先行微电子有限公司、南京洛普股份有限公司、上海交通大学光纤技术研究所、北京化工大学自动化系等单位通过集成化、模块一体化、西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页结构化等方式来提高LED显示屏的可靠性和工作性能。此外,还研究了Y反校正电路、非线性校正软件、彩色LED显示屏的y校正方法等,以提高LED显示屏的图像质量。由于LED显示屏在一定程度上存在刷新速度不足和传输数据量大等问题,国内对数据重构与存储技术、数据压缩技术以及隔列传输等方面进行了研究。襄樊学院与华中理工大学提出了特殊的位平面存储技术和扫描技术,可达到稳定的高速动画显示效果;中科院长春物理研究所对四色的文字动画屏采用游程编码霍夫曼编码的MK编码对数据进行压缩,可以达到实时传输;对于图像屏采用隔列传输的方法缓解了通讯压力,提高了长线传输的可靠性。华中理工大学根据脚本理论的基本思想,研究了LED图文显示自动生成系统的数据模型,以路径数据来描述显示事件序列,并规定显示过程对元数据操作的条件,同时称路径数据为显示脚本,该脚本可以由系统操作员利用显示脚本编辑工具离线或在线修改、编辑并生成新的显示脚本,经语法检查后,以文本文件的形式保存到存储介质上,通过调用显示脚本文件完成显示任务。在LED显示屏中,控制系统是进行控制管理的核心,其技术水平、性能指标的高低直接影响到LED显示屏运行的稳定性及显示画质的效果,是LED显示屏系统中技术含量最高、研制难度最大的部分。现有的实施方案主要包括以下三类I卜u J一是基于单片机的控制方案。其中一种是以一片单片机为主控器件来控制和协调LED显示屏整个显示系统的显示;另一种是多片单片机构成的多处理器主从系统,它以一片作为主CPU,其它作为从CPU,由主从处理器配合共同完成显示屏的控制。二是基于CPLD/FPGA的控制方案。这种方案主要针对视频图像信号频率高、数据量大、实时性更强的特点,考虑到LED显示屏电路的数字逻辑相当复杂,采用CPLD/FPGA设计控制电路可以简化系统结构,便于调试。其主要思想是利用CPLD/FPGA器件对系统中的同步控制、主从控制、读写控制和灰度调制等大量电路进行了集成,使图像数据处理更为快速,图像更加稳定,并进一步提高可靠性。三是基于嵌入式系统的控制方案。这种方案利用嵌入式系统指令执行速度快、支持大容量的存储空间、具有宽范围的存储器接口等特点,特别是可西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页以利用其操作系统更为有效地管理系统资源的分配,通过其高效的调度算法以多任务方式实现整个应用程序的设计。系统运行速度和可靠性有较大提高。上述控制方案各具特色,都具有与之相应的应用价值和适用场合,因此在进行控制系统的设计时,应当在深入理解系统工作原理的基础上认真分析实际需求,恰当选择核心控制器件并在合理组织数据的前提下设计相应的算法,.以提高性能和性价比。1.3课题涉及的关键问题在LED显示屏控制系统的实现方案中,无论选用哪一种都必须解决以下问题1、数据组织与存储为完成对LED显示屏的高效控制,其显示数据的存储与组织方式是实现算法优化的基础。应结合LED显示屏的工作原理和系统优化的要求,对数据组织方式和存储技术进行详细分析,提出合理的解决方案,克服数据传输量大所带来的不利影响。2、数据重构算法的优化为实现LED显示屏数据的高速输出,设计满足不同显示模式下的数据重构算法,以提高数据吞吐率。为此,需分析和求解不同模式下的数据传送规律,形成解析解,以利于程序高效实现。3、串行传输与并行传输完整的LED显示系统中涉及数据的串行和并行传输,为提高传输效率,需对其传输范围、转换时机和转换方式进行研究,并通过设计相应的电路来完成或根据实际电路结构从软件方面着手解决。4、动态扫描与静态锁存基于LED单元板工作方式,必须解决动态扫描与静态锁存之间的配合问题,确保刷新频率,以获得稳定的显示效果。5、输入输出接口电路设计在输入输出接口电路设计方面,需结合LED显示屏的工作原理和特点,从信号变换、信号复用等方面着手优化控制时序,从而进一步减小时延,提高系统工作效率。1.4课题的主要研究内容本课题来源于西南交通大学铁道信号实训基地建设基金项目,该基地的西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页建设目标是为铁道信号及相关专业提供实习实训场所。作为该项目二期建设规划中的一个子项目,本课题的任务是完成大型LED显示屏控制系统的设计与实现。主要研究内容包括1、数据组织算法研究一个高性能的LED显示屏控制系统既要有一定的硬件基础,同时也需要合理的数据组织方法。因此,工作中拟从多扫描线显示的工作特点出发对LED显示屏的数据组织算法进行探讨,包括数据组织原理分析,显示信息与数据存储器之间映射关系的求解等;以此作为硬件设计和软件编程的依据。对多扫描线方式下数据组织方法和存储模式的研究不仅是完成本课题的必需环节,而且对于平板显示技术的其它实现方案也具有参考价值。2.核心控制器件选型及应用研究核心控制器件的选择是整个控制系统硬件设计的基础,器件选型应本着在满足系统性能和可靠性要求的前提下尽可能提高性价比的原则。对所选器件,不仅要求具有高性能,更重要的是应该对器件的功能特点与LED显示屏控制需求之间的适应关系进行针对性分析,研究其作为系统核心控制器件的可行性与合理性,从而为系统设计提供一个恰当的平台,在此基础上结合实际应用需求提出具体的实现方案。3、控制系统时序优化为了进一步提高系统性能,在控制系统设计中应对LED显示屏的控制时序进行认真分析。结合器件特性和显示屏工作原理,通过合理设计硬件逻辑和电路,筑化控制时序,实现显示数据以DMA方式高速输出,以满足实际应用的要求。西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页第2章LED显示屏工作原理LED显示屏是由LED单元板构成的拼接显示系统。本章简要说明LED显示屏的构造和工作原理,·为设计控制系统提供基本依据,同时也作为分析多扫描线显示系统数据组织方法的背景。2.1 LED单元板的结构LED单元板是生产厂商为加快LED显示屏推广和产品化程度的提高而推出的用于组装LED显示屏的基本单元,是目前整个LED显示屏行业认可的基本标准组成单元【9】。下面以常用的室内双基色LED单元板为例说明其结构。LED单元板的基本组成单位是8x8的LED模块,一般采用4x8的排列方式构成64x32点阵,即垂直方向4块,水平方向8块,因此每张单元板由32块LED模块构成;由于LED显示屏是用若干块这样的单元板拼接而成,所以在单元板两端分别预留有级联接口,目前这种接口普遍采用16针插座,通常称之为08接口;如图2.1所示。8x8 8x8 8x8 8x8 8x8 8x8 8x8 8x8模组 模组 模组 模组 模组 模组 楱组 模组8x8 8x8 8x8 8x8 8x8 8x8 8x8 8x8模组 模组 模组 模组 模组 模组 模组 模组8x8 8x0 8x 8x8 8x8 8x8 8x8 8x8楱组 筷组 模组 模组 模组 摸组 模组 模组8x8 8x8 8x8 8x8 ax8 8x8 8x8 8x8模组 模组 模组 模组 模组 模组 模组 模组∞网Ic舯I o/{-GND I oI c翻}o{p砌}|aIt2}oi G2∞I o}RCK∞Io{骤惦接口图2.1 LED单元板模块排列和接口示意图除了LED模块外,单元板还包括印刷电路板和电子元件这两部份,为了便于维修,所有电子元件均焊接在印刷电路板的正面,反面插LED模块,这样当电路出现故障时,一般情况下不拆卸LED模块也可以完成维修工作。2.2双基色单元板电路分析2.2.1电路基本组成.LED单元板的组成部分主要有32块88LED模块,32片74HC595,8片4953,2片74HCl38,2片74HC245。按照电路功能划分为接口电路、驱动电路、译码电路和列数据电路,电路结构如图2.2所示。西南交通大学硕士研究生学位论文 第7页.图22双基色单元板电路结构框图图中08接口信号线的说明●A、B、C、D行扫描信号线,用于确定点亮16行中的某一行●R1、R2红色LED列数据线● G1、G2绿色LED列数据线●SCK74HC595串行数据移位信号,上升沿将数据锁存到驱动模块中的串行寄存器·RCK-74HC595数据锁存信号,上升沿将串行数据锁存到并行寄存器,同时屏体显示更新◆EN74HCl38片选信号线,有效时屏体点亮,无效时屏体熄灭构成显示屏的各单元板之间通过08接口连接,数据和控制信号都从控制卡输出到第一块单元板的输入接口。为防止数据线过长导致信号衰减,在08接口后面接一片增强信号驱动能力的芯片,通常采用74HC245。所有信号经过再次驱动后,分两部分进入单元板控制电路RCK、SCK、R1、R2、G1、G2进入列数据电路;②A、B、C、D、EN进入行扫描电路。最后所有信号汇集于输出08接口端,用于级联下一个单元板。2.2.2扫描方式工作原理由于构成显示屏的LED发光管数量较大,因此通常以扫描方式工作,标准双基色单元板采用1/16扫描方式。在这种方式下,每行有一个行驱动器,各行的同名列共用一个列驱动器。行驱动器一行的行线连到电源的一端,列驱动器一列的列线连到电源的另一端。由行译码器给出行有效信号,从第一行开始依次对各行进行扫描。在扫描某一行时,根据该行各列锁存的数据,
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