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1、2023年基于嵌入式的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 20230601 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
2、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 CPU ARM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
3、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 As a high technology production, LED(Light Emitting Diodedisplay screen attracts more and more people in recent years.With the LED display screen widely used in many fields, there exposed some new problems in the application: for e
4、xample, it is neceary to program in field to control a LED display screen, etc.In this paper, a method is proposed which can control the low cost LED display screen remotely without in field.The control system had been give one based on GPRS, a wirele communication mode, and an integrated and feasib
5、le solution of hardware design.Firstly , the paper introduces the operating Principle of LED display screen and Puts forward originally structure composition.Secondly, the paper explains the hardware and software design proce of LED display system.ARM is 32 bits RISC proceor.It is responsible for re
6、ceiving instruction and analyzing it, supporting the operation about display memory, and communicating with FPGA.FPGA is responsible for scanning and driving circuit of LED display.Finally, some keys of drawing PCB are given.The display system realizes the dynamic display of letters and pictures.In
7、word, it is remote control LED screen display system which is worthy of real application.Key words: Lattice Display, 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
8、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 本学位论文作者完全了解 武汉工业学院 有关保留、使用学位论文的规 定,特授权 武汉工业学院 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,并采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编,以供查阅和借阅。 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 1.1 LED显示技术的发
9、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
10、、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
11、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
12、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。
13、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。 1.2 LED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
14、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、19901995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
15、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
16、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
17、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
18、 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
19、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
20、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
21、。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 CPU ARM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 2.1 LED显
22、示的原理及其分析 2.1.1 LED发光二极管的原理简介 LED (Light-Emitting Diode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 P
23、N 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
24、士学位论文 图 2-1 LED二极管光强与正向电流值关系的示意图 Fig.2-1 the Relation of Intensity and Current about LED Diode 图 2-2 LED二极管的伏安特性示意图 Fig.2-2 the Relation of Voltage and Current about LED Diode 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
25、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
26、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
27、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
28、 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.2-3 the Relation of Time and Current about Scanning LED Drivers 2.3 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(Global System for Mobile Communication和 CDMA(Code Division Multipl
29、e Acce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 (General Packet Radio System,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
30、/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
31、、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, Serving GPRS Supporting Node; 2、GPRS 网关支持结点 (GGSN, Gateway GPRS Supporting Node; 3、分组控制单元 (PCU, Packet Control Unit。 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
32、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。 2.3.1 GPRS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
33、2-1 常见的入网方式通信性质的比较 Tab.2-1 the Comparing of Characteristic about Common Connecting Modes to Internet 3、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,同时能满足高速或低速数据和控制指令,优 化了对网络资源和无线资源的利用。 基于这些优点,特点是在对 LED 显示系统的应用中, GPRS
34、的低廉的成本 和优越的性能都是非常显著的,无需组网、计费方式适宜长期在线、同时支持 高速数据传输和低速的信令传输等。这都是我们的方案选用 GPRS 的理由。 2.3.2基于 GPRS 的 LED 显示系统的网络结构 GPRS 的 INTERNET 网络的模型, 也与通常意义的七层参考模型是一一对应 的 26。最底层 (物理层 为硬件接口,在 GPRS 网络中, GPRS 无线调制解调器是 硬件接口。在硬件接口基础上 GPRS 通过 PPP 即协议来完成数据链接。 PPP 协议 4, 即 LCP(Link Control Protocol, PAP(Paword Authentication P
35、rotocol, IPCP(IP Control Protocol。 在数据链路层之上为网络层, GPRS 是基于 IP 网络的, 目前每个通过 GPRS 接入 INTERNET 的终端都能获得一个内部的 IP 地址, GPRS 终端通过 NIT 的方式与外部 INTERNET 网络连接,因此所有的 GPRS 终端相当于 是 CMNET(一种网络服务提供商提出的 GPRS 方案之一 局域网的内网机器。 在 IP 网络中, TCP 或 UDP 协议是传输层。 TCP 是面向链接的协议, UDP 是不需要建立链接的。在 GPRS 的应用系统中主要是在这一层进行资料交换。 在传输层之上是应用层,包括
36、 HTTP、FTP、SMTP 等协议。 GPRS 技术考虑到 TCP 方式需要在通信的双方建立一个相对固定的连接, 这样会占用相当的网络资源。在以流量计费的情况下,用于连接的通信也会被 计入费用。这样就不适宜永久在线的原则。由于采用了算法相对简单的 UDP 协议,这样对网络资源的消耗会比较少,而且在网络不好的情况下,采用简单 的协议往往能提供较好的解决问题的方法。 GPRS 相当于一个 Wirele Modem,用户的应用系统需要通过 PPP 即 (LCP/PAP/IPCP先和运营商的 INTERNET 接入服务器连接, 然后才能应用 UDP 进行通讯。 利用 GPRS 进行数据传输的结构有两
37、种,主要区别在于服务器端的位置。 服 务 器 端 采 用 普 通 INTERNET 上 的 主 机 方 式 , 这 个 时 候 所 有 的 终 端 在 接 入 INTERNET 以后发送数据包到服务器进行登记,服务器记录下终端对应的 IP 地址和端口号, 以后的数据发送按照这个 IP 地址和端口号进行。 由于目前中国 移动 GPRS 接入 INTERNET 是采用地址映像的方式进行的,尽管 GPRS 接入 INTERNET 以后 CMNET 会提供一个 IP 地址,但是这个 IP 地址是 CMNET 的 局域网地址 (一般是 10.xxx.xxx.xxx 地址 , INTERNET 上的任何主
38、机不能通过 这个 IP 进行访问,因此要完成数据传输必须通过这个映像的 IP 地址和端口和 GPRS 模块进行通讯。 服务器通过 CMNET 提供的一个固定的局域网 IP 地址与终端通信。 在这种 情况下,所有的终端和服务器相当于位于一局域网下的机器。按照局域网的通 讯原理,所有的终端可以直接利用局域网的 IP 地址网关进行数据通讯。 本文的方案,服务器选用固定 IP 地址 (校园网局域网 LAN 上网 ,所以服 务器和 GPRS 模块所处于的 CMNET 网络不在同一个局域网内部, GPRS 终端 只能作为客户端通过映射到 INTERNET 的 IP 地址与服务器通信。相反,如果 GPRS
39、客户端不主动呼叫服务器端的话,服务器端要想找到 CMNET 内部的 GPRS 终端是不可能的。 综上所述,简述了 GPRS 的通信过程。 2.4 ARM技术简介与分析 2.4.1基于 ARM 的显示系统简介与分析 ARM 是 Advanced RISC Machines的缩写,是微处理器行业的一家知名企 业,该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的 RISC 处理器、相关技术及软 件。 ARM 公司的处理器具有性能高、成本低和能耗小的特点, 适用于多种领域。 世界各大半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核, 根据各自 不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的 AR
40、M 微处理器芯片 进入市场。目前,采用 ARM 技术知识产权 IP(Intellectual Property核的微处理 器,即我们通常所说的 ARM 微处理器,以遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。 ARM 微处理器一般具有如下特点 2:体积小、低功耗、低成本、高性能; 支持 Thumb(16位 /ARM(32位 双指令集,能很好的兼容 8位/16位器件;大 量使用寄存器,指令执行速度更快 ; 大多数数据操作都在寄存器中完成;寻址方 式灵活简单,执行效率高;指令长度固定。 ARM 微处理器目前包括下面几个系列 :ARM7系列、ARM9系列、ARM9E 系
41、列、ARM10E 系列、SecurCore 系列等,这些处理器处理具有 ARM 体系结构 的共同特点以外,每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。 用户如果希望使用标准 Linux 等操作系统,就需要选择 ARM720T 以上带有 MMU(Memory Management Unit功能的 ARM 芯片。而 ARM7TDMI 则没有 MMU ,不支持标准的 UNIX ,但目前有 uCLinux 操作系统等不需要 MMU 支持 的操作系统可运行于 ARM7TDMI 迎接平台之上,使用也非常方便。大多数的 ARM 微处理器片内存储器的容量都不太大,需要用户在设计系统是外扩存储 器。
42、 除 ARM 微处理器核以外, 几乎所有的 ARM 芯片均根据各自不同的应用领 域,扩展了相关功能模块,并集成在芯片之中,即为片内外围电路。 一般来说,选用处理器的时候要考虑性能、开发难易程度、开发成本、相 关资料公开性等因素。很多微处理器体系结构各有特点,以适应应用在不同领 域。 从研究可行性出发, 本文方案采用了 ARM 体系结构的 ARM7TDMI 内核 9。 它是世界上广泛使用的 32位嵌入式 RISC 处理器,目前主要用于低端的设备, 最适用于对价位和功耗敏感的应用。 选择 ARM 的另一个原因是以 ARM 微处理器 为核心的硬件方案比较多,也较为成熟。 综合考虑多方面的因素, 如价
43、格、功能、应用前景等, 本系统选用的是 Philip 公司的 LPC2214芯片,该款 ARM 微处理器是一个支持实时仿真和跟踪的 16/32位 ARM7TDMI CPU的微控制器,芯片内部集成了通用 I/O口、两个 UATR、SPI 串行接口、I 2C 串行接口等多个功能模块,很适合终端类产品的开发。 SPI 串行接口、I 2C 串行接口等多个功能模块,很适合终端类产品的开发。 2.4.2 ARM可为显示系统提供的接口资源分析 8 本 文 方 案 中 选 择 了 Philip 公 司 LPC2214的 ARM7芯 片 作 为 主 控 处 理 器 。 LPC2214是一款基于一个支持实时仿真和
44、跟踪的 16/32位 ARM7TDMI-S CPU的 微控制器,并带有 256字节嵌入的高速 Flash 存储器。片内 128位宽度的存储器 接口和独特的加速结构使 32位代码能够在最大时钟速率下运行。 对代码规模有 严格控制的应用可使用 16位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%, 而性能的损 失却很小。适用于工业控制、医疗系统、访问控制和 POS 机。其特性 9有: 16/32位 ARM7TDMI-S 微控制器; 16KB 静态 RAM ; 256KB 片内 FLASH 程序存储器, 128位宽度接口 /加速器可实现高达 60MHz 的操作频率; LQFP144脚封装; 片内 Bo
45、ot 装载程序实现在系统编程 (ISP和在应用中编程 (IAP; 8路 10位 A/D转换器,转换时间低至 2.44us ; 2个 32位定时器 (带 4路捕获和 4路比较通道、PWM 单元 (6路输出、实 时时钟和看门狗; 多个串行接口, 包括 2个 16C550工业标准 UART、高速 I2C 接口 (400Kbps和 2个 SPI 接口; 通过片内 PLL 可实现最大为 60MHZ 的 CPU 操作频率; 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址; 112个通用 I/O口 (可承受 5V 电压 , 12个独立外部中断引脚 (EINT和 CAP 功能 ; 片内晶振频率范围 :130MHz;
46、通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒; 可通过个别使能 /禁止外部功能来优化功耗; 双电源:CPU 操作电压范围:1.65l.95v(1.8V(l8.3%; I/O操作电压 范围 :3.03.6V(3.3V(110%。 LPC2214包含一个支持仿真的 ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器 接口的 ARM7局部总线、与中断控制器接口的 AMBA 高性能总线 (AHB和连接 片内外设功能的 VLSI 外设总线 (VPB, ARMAMBA 总线的兼容超集 。 LPC2214将 ARM7TDMI-S 配置为小端模式 (little-endian字节顺序。 AHB 外设分配了 2M 字节的
47、地址范围,它位于 4G 字节 ARM 存储器空间 的最顶端。每个 AHB 外设都分配了 16K 字节的地址空间。 LPC2214的外设功 能 (中断控制器除外 都连接到 VPB 总线。 AHB 到 VPB 的桥将 VPB 总线与 AHB 总线相连。 VPB 外设也分配了 2M 字节的地址范围,从 3.5GB 地址点开始。每个 VPB 外设在 VPB 地址空间内都分配了 16K 字节地址空间。片内外设与器件管脚的 连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚 在特定应用中的需求。 2.5 基于 FPGA 的显示扫描系统的简介与分析 FPGA(Field Programmable Gate Array即现场可编程门阵列,它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电 路 (ASIC领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克 服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA 的使用非常灵活,同一片 FPGA 通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。 FPGA 在通信、数据处 理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领