Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den Entwurf und die Entwicklung eines großflächigen LED-Anzeigesystems für den Einsatz in der industriellen Fertigung. Das System nutzt einen leistungsstarken 32-Bit-ARM-Mikroprozessor als Steuerkern, der die Bildwiederholfrequenz und die dynamischen Anzeigeeffekte der LED-Anzeige steuert. Die Kommunikation mit dem Feldbus erfolgt über das RS485-Protokoll. Die Ansteuersignale für Zeilen und Spalten der LED-Anzeige werden über die beiden SPI-Ports des ARM-Prozessors ausgegeben. Das System zeichnet sich durch eine einfache Hardwarestruktur, eine hohe Bildwiederholfrequenz, Systemzuverlässigkeit, umfangreiche Funktionen und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Der langjährige Praxiseinsatz in einer großen Logistik-Produktionslinie hat den Erfolg des Designs bestätigt. Schlüsselwörter: LED-Anzeigesystem, ARM-Mikroprozessor, SPI Einleitung: In einem kürzlich durchgeführten Projekt zur Implementierung eines Feldbus-basierten Logistikrufsystems an einer großen Produktionslinie zeigte sich, dass das bestehende LED-Anzeigesteuerungssystem auf Basis des AT89C51-Chips aufgrund der großen Menge an anzuzeigenden Informationen Schwierigkeiten hatte. Die Einschränkungen von Mikroprozessorgeschwindigkeit, Architektur, Adressbereich und Peripherieschnittstellen führten zu Problemen bei der Darstellung dynamischer Bildqualität, insbesondere bei hohen Pixelzahlen, Bildwiederholraten und komplexen dynamischen Effekten. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurde basierend auf den vorhandenen Ressourcen ein komplett neues Hardware-Blockdiagramm für das LED-Anzeigesteuerungssystem (Abbildung 1) entworfen und entwickelt. Dieses System besteht aus einem leistungsstarken 32-Bit-ARM-Mikroprozessor und kommuniziert über eine RS485-Schnittstelle in Echtzeit mit einem Host-Computer am Feldbus, um die Informationsdarstellung für das gesamte System zu gewährleisten. 1. Systemhardwarestruktur Das Hardware-Blockdiagramm dieses Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. Der in Abbildung 1 dargestellte Mikroprozessor ist der AT91M42800A der Atmel Corporation. Er verwendet einen leistungsstarken 32-Bit-RISC-Architekturprozessor basierend auf dem ARM7TDMI-Kern und verfügt über umfangreiche Peripherieschnittstellen. Der AT91M42800A besitzt zwei USART-Schnittstellen. Das System nutzt den USART0-Port und den MAX485, um eine 485-Schnittstellenschaltung zu bilden (siehe Abbildung 2). Der AT91M42800A besitzt außerdem zwei SPI-Ports mit jeweils vier Chip-Select-Signalen, die bis zu 15 externe Geräte unterstützen. Das System verbindet die beiden SPI-Ports jeweils mit der Spalten- und Zeilentreiberschaltung und verwendet deren jeweilige Chip-Select-Signale CS0 und CS1 zur Signalspeicherung und Ausgangsfreigabe der Treiberschaltung. Der SPI-CLK-Ausgang dient als Takteingang für die Treiberschaltung mit einer Betriebsfrequenz von 4 MHz. Die SRAM-Schnittstellenschaltung besteht aus zwei parallel geschalteten HY57V641620-Chips. Der HY57V641620 ist ein 4-Bank × 1M × 16-Bit-SDRAM-Chip von Hynix. Ein einzelner HY57V641620 verfügt über eine Speicherkapazität von 4 Bänken × 16 Mbit (8 MB), unterstützt automatische Aktualisierung und hat eine Datenbreite von 16 Bit. Um die Datenverarbeitungskapazität der 32-Bit-CPU optimal zu nutzen, verwendet das System zwei 8-ns-HY57V641620-Chips zu einem 32-Bit-SDRAM-Speichersystem. Die Flash-Speicherschnittstellenschaltung besteht aus einem HY29LV160-Chip. Der HY57V641620 ist ein Flash-Speicherchip mit einer Speicherkapazität von 16 MB (2 MB) und einer Datenbreite von 8/16 Bit. Dieses System arbeitet im 16-Bit-Datenbreitenmodus. Spezifische Schaltungsdetails finden Sie in Referenz [1]. Die Zeilenansteuerschaltung besteht aus 36 kaskadierten Allegro A6B595-Chips. Jede Datenzeile auf der Rückseite des Displays besteht aus kaskadierten seriell-parallelen Schieberegistern vom Typ A6B595. Der A6B595-Chip integriert einen Treiber aus MOS-Transistoren, der die Leuchtdioden ansteuert. Die Spaltenansteuerschaltung besteht aus 24 kaskadierten Allegro A6276-Chips. Der A6276 ist ein 16-Bit-LED-Treiberchip mit seriell-parallelem Schieberegister und Latch. Die Pinbelegung und die Verschaltung der kaskadierten A6B595- und A6276-Chips sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Schaltungen sind relativ einfach (die mit Port-Kästchen markierten Pins entsprechen den Pins des AT91M42800A). Weitere detaillierte Leistungsdaten finden Sie in den entsprechenden Produktdokumenten von Atmel und Allegro [2, 3]. Die SPI-Ports des AT91M42800A arbeiten alle im 16-Bit-Seriell-Ausgabemodus, wodurch die Datenübertragungsgeschwindigkeit durch die hohe Leistung des 32-Bit-ARM-Prozessors deutlich gesteigert wird. Abbildung 1: Blockdiagramm der Hardwarestruktur des Systems. Abbildung 2: Schaltplan der 485-Schnittstellenschaltung sowie der Kaskadenschaltung aus A6B595 und A6276. Funktionsprinzip: Die Kommunikation zwischen diesem System und dem Host-Computer erfolgt über den USART0-Port des AT91M42800A und die 485-Schnittstellenschaltung. Der Host-Computer sendet lediglich die anzuzeigenden Daten an den AT91M42800A. Nach dem Einschalten initialisiert sich der AT91M42800A, liest den Startcode und lädt den im Flash-Speicher gespeicherten Programmcode sowie die anzuzeigenden Zeichendaten in den SDRAM. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Datenzugriffe im Hochgeschwindigkeits-SDRAM erfolgen. Nach dem Empfang von Daten vom Host-Computer wandelt der AT91M42800A die anzuzeigenden Daten in entsprechende Ansteuersignale für die LED-Anzeige um, fügt geeignete dynamische Anzeigeeffekte (z. B. Verschiebung nach links, Verschiebung nach oben, Öffnen, Abdecken, Blinken, Direktanzeige) hinzu und gibt diese über den SPI-Port an die Zeilen- und Spaltenansteuerschaltungen aus. Bei Bedarf können gleichzeitig vom Host-Computer übertragene Daten oder Bilder im Flash-Speicher gespeichert werden. Die Anzeige verwendet ein dynamisches, sequenzielles Zeilenabtastverfahren (1/16). Zunächst werden die 24 Datenbytes im SPIA-Port sequenziell in die entsprechenden 24 Spaltenansteuerschaltungen des A6276 übertragen und zwischengespeichert. Anschließend werden über den SPIB-Port die Zeilenauswahlsignale sequenziell an die Zeilenansteuerschaltungen übertragen, wodurch die Anzeige einer LED-Zeile abgeschlossen wird. Danach wird jede Zeile der LED-Anzeige sequenziell dargestellt. Das Tastverhältnis der LED-Ein-/Ausschaltzeiten kann per Software eingestellt werden, um eine optimale Helligkeit zu wählen und die Lebensdauer der LEDs zu verlängern. Das vor Ort installierte LED-Display verfügt über eine effektive Anzeigefläche von ca. 4,6 m² mit 288 × 384 = 110.592 Pixeln. Die minimale Aktualisierungszeit pro Vollbild beträgt weniger als 8 ms, und die Bildwiederholfrequenz liegt über 125 Hz. Dies ist mehr als zehnmal höher als bei herkömmlichen, mikrocontrollerbasierten Displaysystemen und gewährleistet eine hervorragende Bildqualität bei dynamischen Darstellungen. Gleichzeitig kann unter gleichen Bedingungen die Anzahl der tatsächlich sichtbaren Pixel erhöht werden. 3. Softwareübersicht: Die Systemsoftware nutzt das Betriebssystem μC/OSII und bietet dadurch leistungsstarke Funktionen für Multitasking, Timer-, Interrupt- und Speichermanagement. Die Echtzeitüberwachung relevanter Register verbessert die Systemstabilität erheblich, was mit Mikrocontrollern und einigen DSP-Prozessoren nicht möglich ist. Die Display-Anwendung verwendet ein Timer-Interrupt-Verfahren. Durch die Einstellung einer geeigneten Interrupt-Eintrittszeitkonstante lässt sich eine LED-Aktualisierungsfrequenz von über 40 Hz erreichen, was für das menschliche Auge eine stabile dynamische Bildqualität gewährleistet. Die dynamische Echtzeitverarbeitung des Bildschirms, d. h. die verschiedenen dynamischen Anzeigemodi, sind in Form von Unterprogrammen implementiert, wobei jeder Anzeigemodus ein unabhängiges Unterprogramm darstellt. Zu den spezifischen dynamischen Anzeigemodi gehören: horizontale und vertikale Bildschirmbewegung, Bildschirmauf- und -absenkung, Vorhangsteuerung, Überlagerung, Blinken, Direktanzeige und viele weitere. 4. Vorteile dieses Systems: ① Es verwendet einen leistungsstarken 32-Bit-ARM-Mikroprozessor mit RISC-Architektur und überwindet damit die Schwächen herkömmlicher 8/16-Bit-Mikrocontroller hinsichtlich Rechenleistung, Systemarchitektur, Adressbereich und Peripherieschnittstellen. Die Software nutzt ein Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem, wodurch die Systemverwaltungsfunktionen leistungsstark sind und Echtzeitüberwachung, komplexe Programmsteuerung sowie eine komfortable Programmentwicklung und -erweiterung ermöglichen. Im Vergleich zu ähnlichen Systemen mit älteren Mikrocontrollern wurden die Softwarestabilität und -zuverlässigkeit dieses Systems deutlich verbessert. ② Dieses System eliminiert im Gegensatz zu anderen Mikrocontrollersystemen, die zur Verbesserung der Anzeigegeschwindigkeit mehrere Prozessoren, Dual-Port-RAM oder die Aufteilung des LED-Bildschirms in mehrere Blöcke nutzen, die Bustreiber- und Dekodierungsschaltungen des LED-Anzeigebereichs herkömmlicher Ansätze. Das System verwendet die SPI-Schnittstelle des AT91M42800A zur direkten Ansteuerung der LED-Anzeigelogik. Dies vereinfacht nicht nur die Schaltung, sondern auch die zugehörige Softwareprogrammierung und spart GPIO-Hardwareressourcen des Mikrocontrollers. ③ Die SPI-Schnittstelle des AT91M42800A unterstützt einen 16-Bit-Übertragungsmodus. In Kombination mit dem dedizierten 16-Bit-LED-Treiberchip A6276 wird die Bildwiederholfrequenz des LED-Displays im Vergleich zu herkömmlichen Mikrocontrollern deutlich verbessert. Fazit: Das großflächige LED-Anzeigesystem mit einem 32-Bit-RISC-Mikroprozessor bietet eine deutlich höhere Leistung als herkömmliche LED-Anzeigesysteme mit 8/16-Bit-Mikrocontrollern, ohne die Systemkosten wesentlich zu erhöhen. Im Vergleich zu Anzeigesystemen mit DVI-Schnittstelle entfällt die Notwendigkeit einer Videoverarbeitungsschaltung. Vorteile sind unter anderem eine einfache Hardwarestruktur und geringe Kosten. Dieses Design spart Ressourcen der Mikrocontroller-Ports, vereinfacht die Anzeigeschaltung und erhöht die Zuverlässigkeit des gesamten Anzeigesystems. Das System eignet sich für die Anzeige von monochromen Videos, Animationen, Texten und anderen LED-Informationen. Der langjährige Praxiseinsatz in einer großen Logistikproduktionslinie hat die Überlegenheit des Designs bestätigt. Referenzen: 1 Li Juguang. Detaillierte Erklärung der ARM-Anwendungssystementwicklung – Systemdesign basierend auf S3C4510B. Beijing: Tsinghua University Press, 2003. 2 Allegro Corp. Datenblatt A6B595 & A6276. 2004. 3 Atmel Corp. Datenblatt AT91M42800A Serie ARM Thumb Mikrocontroller. 2002. 4 Zhang Hua, Fan Qingwen, Hou Li. Großbild-LED-Anzeigesystem basierend auf Industrial Ethernet. Elektromechanische Produktentwicklung und Innovation, 2004.17(2):28–30 5 Li Juguang, Zhang Hua, Li Zhongli. AVR-Hochgeschwindigkeits-Ein-Chip-Mikrocomputer-LED-Anzeigesystem. Elektronische Technologie, 2002(5) 6 Du Chunlei. ARM-Architektur und -Programmierung. Peking: Tsinghua University Press, 2003