基于嵌入式系統的LCD廣告牌設計
摘要：隨著科技的發展，ARM在社會各個方面的應用越來越廣。ARM芯片廣泛應用于無線產品、PDA、GPS、網絡、消費電子產品、STB及智能卡。LPC2103是PHILIPS公司生產的基于ARM7TDMI的RISC微處理器，工作頻率可達70MHZ。液晶顯示是嵌入式系統中反映系統輸入/輸出的人機交互界面，液晶顯示以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、模塊化，接口電路簡單等諸多優點得到廣泛應用。我們在看重高性價比的情況下，利用LPC2103的通用I/O口來控制液晶顯示屏的軟硬件方法，實現了與LCD控制模塊一樣的功能。
1 引言嵌入式系統是嵌入到對象體系中的專用計算機系統。以嵌入式計算機為核心的嵌入式系統是繼IT網絡技術之后，又一個新的技術發展方向。本文以LPC2103為控制核心介紹和設計了一款基于的ARM嵌入式系統的LCD顯示系統。該系統在功耗、體積、集成度、成本等都有較好的優勢，具有一定的實用意義。
由于LCD液晶顯示器具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等諸多其他顯示器無法比擬的優點已廣泛應用于各種智能型儀表和低功耗電子產品中。液晶顯示器分為筆段式、字符點陣式和圖形點陣式三種。前兩種可顯示數字、字符和符號等,而圖形點陣式液晶顯示器還可以顯示漢字和任意圖形，達到圖文并茂的效果。其應用已越來越廣泛。本文以液晶顯示器1602為例介紹了液晶顯示器的基本原理及在ARM嵌入式系統下的程序設計。
2 總體設計方案
2.1 設計思路LCD1602廣告牌設計采用ARM7微處理器為核心，采用RAM和UART分別存儲和傳輸數據，實現了LPC2103與LCD1602之間的數據傳輸。首先進行lpc2103進行管腳配置，通過管腳連接模塊PINSEL0,PINSEL1設置管腳連接GPIO，但要先進行復位，復位值為0x00000000。設置管腳方向IODIR,也就是輸入或者輸出，其中對應為1表示輸出，為0表示輸入。設置高低電平，相關寄存器采用IOSET/IOCLR,IOSET表示讓引腳輸出1,IOCLR表示讓引腳輸出0。完成LPC2103管腳的配置后，才可以對它進行操作。
液晶屏在LPC2103的控制下進行顯示，需要先向液晶屏寫入一些顯示設置命令，然后再寫入顯示數據。向液晶屏寫入顯示設置命令時，先將管腳RS清0。當設置完成后，需要使管腳RS置1以寫入顯示數據。同時，R/W也接入低電平，數據從液晶屏的管腳DB0-DB7寫入。當管腳RS和R/W設置好后，執行對管腳E清零，就會在管腳E上形成一個由高到低的跳變，這個跳變使得命令或顯示數據從數據總線DB0-DB7進入液晶屏。
在進行程序設計時，對液晶屏的操作設計到寫數據和寫命令的操作，我們可以將寫數據、寫命令以及液晶屏顯示做成一個函數。我們將要顯示的字符存儲在數據中，對液晶屏執行初始化操作后，通過調用這些函數，來完成LCD的顯示。
2.1.1 LCD廣告牌顯示流程 LCD1602液晶屏廣告牌顯示流程圖如下
2.2 程序流程圖LCD廣告牌設計程序流程圖
3 開發環境1.硬件：PC機一臺，暢學ARM7—LPC2103核心板一塊；
2.軟件：WINDOWS10系統，KEIL UVISION4、PROTEUS7.8、LAUNCH LPC210X_ISP開發環境。
4 設計原理分析4.1 LPC2103簡介LPC2103 是基于一個支持實時仿真的32位ARM7的TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32kB 嵌入的高速 Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使 32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對中斷服務程序和 DSP 算法中性能要求嚴格的應用，這增加的性能比在 Thumb 模式下的性能超出多達 30%。對代碼規模有嚴格控制的應用，使用 16 位 Thumb 模式將代碼規模降低超過 30%，而性能的損失卻很小。
較小的封裝和很低的功耗使 LPC2103 特別適用于訪問控制和 POS 機等小型應用中；由于內置了寬范圍的串行通信接口（范圍從多個 UART、SPI 和 SSP 到兩條 I 2 C 總線）和 8kB 的片內 SRAM，它們也非常適合于通信網關和協議轉換器。高級性能還使這些器件適合用作數學協處理器。多個 32 位和 16 位定時器、1 個改良的 10 位 ADC、所有定時器上輸出匹配的 PWM 特性、以及具有多達 13 個邊沿或電平觸發的外部中斷管腳的32條高速 GPIO 線，使這些微控制器特別適用于工業控制和醫療系統中。
(1).特性
32 位 ARM7 TDMI-S 微控制器，超小 LQFP48 封裝。
8kB 的片內靜態 RAM 和 8kB/16kB/32kB 的片內 Flash 程序存儲器。128位寬度接口/加速器可實現高達 70 MHz 工作頻率。
通過片內 boot 裝載程序實現在系統/在應用編程（ISP/IAP）。單個 Flash 扇區或整片擦除時間為 100ms。256 字節編程時間為 1ms。
嵌入式 ICERT通過片內 RealMonitor 軟件提供實時調試。
10 位 A/D 轉換器提供 8 路模擬輸入（每個通道的轉換時間低至 2.44us），以及特定的結果寄存器來最大限度地減少中斷開銷。
2 個 32 位定時器/外部事件計數器（帶7路捕獲和7路比較通道）。
2 個 16 位定時器/外部事件計數器（帶 3 路捕獲和 7 路比較通道）。
低功耗實時時鐘(RTC)具有獨立的電源和特定的 32kHz 時鐘輸入。
多個串行接口，包括2個UART(16C550)、2 個高速 I 2 C 總線(400 kbit/s)、SPI 和具有緩沖作用和數據長度可變功能的 SSP。
向量中斷控制器(VIC)，可配置優先級和向量地址。
多達 32 個通用 I/O 口（可承受 5V 電壓）。
多達 13 個邊沿或電平觸發的外部中斷管腳。
通過一個可編程的片內 PLL（100us 的設置時間）可實現最大為 70MHz 的 CPU 操作頻率，其具有 10MHz～25MHz 的輸入頻率。
片內集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為 1～25MHz。
低功耗模式包括空閑模式、掉電模式和帶有效 RTC 的掉電模式。
可通過個別使能/禁止外圍功能和外圍時鐘分頻來優化額外功耗。
通過外部中斷或 RTC 將處理器從掉電模式中喚醒。
(2).結構簡介
LPC2103包含一個支持仿真的 ARM7TDMI-S CPU，片內存儲器控制器接口的ARM7局部總線，中斷控制器接口的 AMBA 先進高性能總線（AHB）和連接片內外設功能的ARM 外設總線（APB，ARM AMBA 先進外設總線的兼容超集）。LPC2103 將 ARM7TDMI-S 處理器配置為小端字節順序。
AHB 外設分配了 2M 字節的地址范圍，它位于 4G 字節 ARM 存儲器空間的最頂端。每個AHB 外設都在 AHB 地址空間內分配了 16k 字節的地址空間。LPC2103 的外設功能（中斷控制器除外）都連接到 APB 總線。AHB 到 APB 的橋將 APB 總線與 AHB 總線相連。APB 外設也分配了 2M 字節的地址范圍，從 3.5G 字節地址點開始。每個 APB 外設在 APB地址空間內都分配了 16k 字節地址空間。
(3).LPC2103存儲器系統
片內Flash存儲器系統：LPC2103含有32kB Flash 存儲器系統。該存儲器可用作代碼和數據的存儲。對FLASH存儲器的編程可通過幾種方法來實現:使用內置的串JTAG接口、使用在系統編程（ISP）和 UART、使用在應用編程（IAP）功能、使用IAP功能的應用程序也可以在應用程序運行時對 Flash 進行擦除和/或編程。
片內靜態 RAM(SRAM)：片內靜態RAM（SRAM）可用作代碼和/或數據的存儲,它支持32位的訪問。LPC2103含有8kB的靜態 RAM。LPC2103 SRAM 可作為一個字節尋址的存儲器訪問。對存儲器進行字和半字訪問時將忽略地址對準，并訪問被尋址的自然對準值（因此，對存儲器進行字訪問時將忽略地址位0和1，半字訪問時將忽略地址位 0）。因此，有效的讀寫操作要求半字數據訪問的地址線 0 為 0（地址以 0、2、4、6、8、A、C 和 E 結尾），字數據訪問的地址線0和1都為0地址(以0、4、8 和 C 結尾）。該原則同樣用于片外和片內存儲器。
SRAM 控制器包含一個回寫緩沖區，它用于防止 CPU 在連續的寫操作時停止運行。回寫緩沖區總是保存著軟件發送到 SRAM 的最后一個字節。該數據只有在軟件請求下一次寫操作時才寫入 SRAM（數據只有在軟件執行另外一次寫操作時被寫入 SRAM）。如果發生芯片復位，實際的 SRAM 內容將不會反映最近一次的寫請求（即：在一次“熱”芯片復位后，SRAM 不會反映最后一次寫入的內容）。任何在復位后檢查 SRAM 內容的程序都必須注意這一點。通過對一個單元執行兩次相同的寫操作可保證復位后數據的寫入。或者，也可通過在進入空閑或掉電模式前執行虛寫（dummy write）操作來保證最后的數據在復位后被真正寫入到SRAM。
(4).晶體振蕩器
LPC2103板上振蕩器電路僅支持 1MHz～25MHz 的外部晶振。如果片內 PLL 系統或引導裝載程序被使用，那么輸入時鐘頻率將被限制到 10MHz～25MHz。
LPC2103 的振蕩器可工作在兩種模式下：從屬模式和振蕩模式。
從屬模式下，輸入時鐘信號與一個 100pF 的電容（圖 6 的 Cc，a 圖）相連，其幅值至少為 200mVrms。該配置下的 X2 管腳不連接。如果選擇從屬模式，Fosc 信號（占空比為 50-50）的頻率被限制在 1MHz～50MHz。
如果選擇器件的振蕩器模式為板上振蕩模式，那么 Fosc 時鐘限制在 1MHz～30MHz。
(5).外部中斷輸入
LPC2103 含有3個外部中斷輸入（作為可選的管腳功能）。當組合管腳時，外部事件可作為3個獨立的中斷信號處理。外部中斷輸入可用于將處理器從掉電模式中喚醒。
此外，所有 10 個捕獲輸入還可以用作外部中斷而無需將器件從掉電模式中喚醒。
4.2 LCD1602顯示電路“1602”代表該屏每行最多顯示16個字符，能顯示兩行。顯示內容可以是英文大小寫字母、數字、標點符號、常用符號等。1602液晶屏上通常有16個管腳，其背面會看到驅動電路。在液晶屏的顯示區域中還安裝有光源器件，稱之為液晶屏的背光，用來照亮顯示屏。
(1). LCD1602接口信號說明表：
(2).LCD102原理圖
(3).RAM地址映射區
(4).LCD1602指令表
(5).LCD1602基本操作時序
讀狀態 輸入：RS=L，R/W=H，E=H 輸出：D0—D7=狀態字。
讀數據 輸入： RS=H，R/W=H，E=H 輸出：無。
寫指令 輸入：RS=L，R/W=L，D0-D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0-D7=數據。
寫數據 輸入：RS=H，R/W=L，D0-D7=數據，E=高脈沖 輸出：無。
5 系統測試下面為實物效果圖：
6 總結與體會作為一名物聯網工程專業的大三學生，我覺得學好嵌入式是十分有意義的，而且是十分必要的。在已度過的大學時間里，我們大多數接觸的是專業課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所學的專業基礎課理論知識運用到實踐中去呢？而傳統的期末理論考試無法讓我們真正理解嵌入式系統，這次嵌入式系統的課程考核改革就為我們提供了良好的實踐平臺，將理論付諸于實踐。
在這次《ARM嵌入式系統原理》期末課程考核中，我設計的題目是《基于嵌入式系統的LCD廣告牌設計》。通過這次設計，我對ARM嵌入式系統尤其是嵌入式系統程序設計有了初步的了解，同時知識面也進一步得到了擴展和加深。
由于以前一直學的是51單片機，對于嵌入式的學習也只停留在理論上，甚至都沒有見過真正的ARM芯片。剛開始做嵌入式作品時，我拿到一塊ARM7-LPC2103核心板時也是一頭霧水，翻開芯片手冊，只感覺ARM的管腳配置和寄存器配置和我之前學過的51有很大差別，感覺似懂非懂。但既然拿到了板子就要把嵌入式的作品做出來。
在做本次嵌入式作品的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計更加完善，查閱這方面的設計資料是十分必要的，同時也是必不可少的。我們是在做作品，但我們不是藝術家，他們可以拋開實際盡情在幻想的世界里翱翔，而我們一切都要有據可依，有理可尋，不切實際的構想永遠只能是構想，永遠無法升級為設計。
其次，在這次課程設計中，我們運用到了以前所學的專業課知識，如：Proteus仿真、C語言、模擬和數字電路知識等，并且也熟悉了keil環境下開發ARM的過程。雖然過去從未獨立應用過它們，但在學習的過程中帶著問題去學我發現效率很高，這是我做這次嵌入式作品后的又一收獲。要做好一個作品，就必須做到：在設計程序之前，對所用微控制器的內部結構有一個系統的了解，知道該控制器內有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設計程序時，不能妄想一次就將整個程序設計好，反復修改、不斷改進是程序設計的必經之路。
要養成注釋程序的好習慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現功能，而應該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設計作品過程中遇到問題是很正常的，但我們應該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題。雖然作品做出來了，但是從中學到的知識會讓我受益終身。
附錄1：電路圖
