基于ＡＲＭ　ｕｃｌｉｎｕｘ的ＬＥＤ可变情报板系统

摘要：本文从LED可变情报板(LED CMS)系统在智能交通系统(ITS）中的重要作用出发，分析了LED可变情报板系统的功能特点，介绍了LED可变情报板系统的整体设计方案，以及在设计中遇到的难点和关键技术，最后利用SANSUNG的S3C44B0X处理器和ALTERA Cyclone的FPGA器件，设计了基于Uclinux 操作系统的可变情报板系统嵌入式控制器。

关键词：嵌入式系统；改进的精简指令集单片机内核；精简的linux操作系统；发光二极管；可变情报板

中图分类号：TN873.92 文献标识码：A

LED Changing Message Sign System Based On ARM Uclinux

ZHANG Lei，YIN Ting-rui

（Xidian University Institute of Information and Control Engineering ,Xi"an 710071）

Abstract: This paper begins with the importance of LED CMS system in the ITS, then analyzes the functional characteristics of theLED CMS system, introduces the entire design project of the CMS system and the difficulties ,the key technology in the process of design, At last ,we designed LED CMS system embedded controller based on uclinux Operating System.with SAMSUNG S3C44B0X processor and Altera cyclone"s FPGA .

Keywords:embeded system；ARM；uclinux；LED；CMS

1引言

1.1LED CMS在ITS中的重要作用

随着世界经济和我国经济的不断发展，交通运输越来越成为国民经济生活中的一个极其重要、不可缺少的因素，现代化的交通需要现代化的交通管理，为解决城市及国道主要路段和路口的交通拥挤和阻塞状况，减少事故、违章现象，建立现代化的交通指挥控制系统是非常必要的。从某种意义上来说，交通运输业及其管理方式是一个城市、一个地区甚至是一个国家经济水平的一个缩影。公路网建设的迅速发展和我国车辆总数的迅速增加，使我国ITS的研究、开发和应用刻不容缓。

智能交通系统(intelligenttransportation system，ITS)是指将先进的信息技术、数据传输技术、电子控制技术及计算机技术、网络技术等高新技术有效地运用于整个运输管理体系，使人、车、路密切配合、和谐统一，在大范围内、全方位发挥作用，实现实时、准确、高效运输管理的综合系统。

信息显示服务系统是智能交通系统( ITS) 中重要的一个子系统, 它可以通过LED 可变情报板、交通电台广播、Internet 网等信息发布方式, 提供道路诱导信息, 提醒行车限速、告知气象信息、提示方位及路口信息、前方交通状况、路段通行距离和通过所需时间, 还可直接播出路段交通实况的动态图象以及警示提示语等, 是管理人员与车辆驾驶人员交流信息的一个手段。LED 可变情报板在交通信息发布中发挥越来越重要的作用。

1.2LED CMS 功能特点

由于嵌入式系统产品工作稳定性好、环境适应能力强、设备独立性好，能够满足智能交通系统对产品的要求。所以嵌入式一体化的智能化产品在智能交通领域内的应用已得到越来越多的人的认同和前景看好。基于ARM 处理器的LED 可变情报板嵌入式控制器处理速度快,

能大大地改善显示图象的质量, 获得满意的综合效果。

1.2.1控制器功能特点

(1) 多种通信方式: 控制中心能通过多种方式和控制器进行通信, 包括: 以太网通信方式; 串行通信方式等;

(2) 灵活的显示数据处理: 控制器上设计了含有字库和图库的存储器, 可按控制中心传来文字区位码和图形编号显示相应的文字、图象, 也可显示给出的点阵数据格式的文字或图形;

(3) 远程监测LED 显示屏的工作状态: 通过AD转换采集显示屏内的温度、环境亮度、各开关电源电压等物理量, 采集数据通过通信传输至控制中心, 实现对LED 显示屏的工作状态远程监测;

(4)自动检测LED 像素点的工作状况: 实时检测LED 像素点的工作状况, 当某个像素点出现故障的时候, 相关数据及时传输至控制中心。

1.2.2显示屏功能特点

(1) 显示屏亮度自动可调: 根据环境亮度自动调节LED 可变情报板的显示亮度, 获得满意的视看效果,一般亮度自动调整应在8级以上;

(2) 高亮度,合理视角, 显示颜色以红绿黄为主;

(3) 安全性、实时性、准确性、可靠性要求高;

2基于ARM uclinux 的LED CMS系统设计方案

2.1硬件设计

2.1.1LED CMS系统组成

LED CMS系统一般由主控计算机，通讯设备，LED 可变情报板控制器，LED可变情报板显示模块组成。如图1所示：

2.1.2LED CMS的功能要求

基于uclinux操作系统的LED CMS控制器是整个系统的核心。它接受主控计算机传来的指令，调用预先存放在控制器中的各种数据信息，按照要求把接受的指令处理成与显示屏相适应的数据，发布到显示屏上。LED CMS控制器采用ARM芯片加FPGA器件构成，可以以更快更灵活的方式在LED显示屏上发布信息。

根据LED情报板系统的功能要求，可以确定控制器的硬件组成。控制器需要具有以太网接口、标准串口、GPRS等多种数据传输方式与主控计算机进行通信。以太网可以方便地进行集群控制和远程升级以及FPGA配置。由于是嵌入式控制器，所以还需要备有JTAG口进行操作系统内核、应用程序、显示字库等程序下载。利用SOPC（system on programming chip）控制显示屏数据的显示与一些显示屏参数的采集，可以提高ARM微处理器的总体控制处理能力。根据要求，LED CMS控制器还需要预留一些标准数字接口和驱动接口用于一些相关的功能要求。为了有足够的存储空间，LED CMS控制器还需要有CF卡，SD卡等接口。

系统整个控制过程如下:主控计算机通过有线或者无线网络向LED CMS控制器发送显示命令，控制器接收命令后按照通信协议把命令转换成各类控制信号，从FLASH标准字库中提取所要显示的数据信息输出到显示屏驱动电路，将信息以一定的方式显示到显示屏上，同时对显示屏工作状态量（温度、环境光、模块电源、像素点等）进行采集，传送到控制器或者主控计算机，完成自动控制或者远程监测控制。

2.2软件设计

2.2.1由于选用内嵌ARM7TDMI 的SAMSUNG S3C44B0X 处理器，没有内存管理单元（memory management unit，MMU）,在选用操作系统上考虑综合因素选用uclinux操作系统。Uclinux是Linux 小型化后,专门为没有MMU的微处理器芯片而裁剪成的操作系统。Uclinux 保持了传统Linux 操作系统的主要特性,包括稳定、强大的网络和文件系统支持,但是uclinux 有着一些自己的特点,使得uclinux比其他嵌入式操作系统更象传统意义上的嵌入式操作系统。

在系统设计过程中，为了构造适合自己应用开发的内核，需要做以下工作：

(1)下载uclinx源码包、交叉编译工具，建立交叉开发环境；

(2)在linux操作系统下精简并配置编译uclinux 内核；

(3)考虑到uclinux支持的方式，所以把应用程序一起加载到uclinux内核，以供下载到控制器中；

(4)生成内核；

(5)移植内核；

(6)Bootloader的编写；对于常见的几类处理器内核,现在都能找到现成的Bootloader，只要修改一些参数配置即可移植。

2.2.2应用程序的开发

首先分析系统设计任务，LED CMS 系统主要可以化分为两大模块，即通信模块与显示模块，在通信模块下实现控制器与主控计算机的通信。完成数据收发。而在显示模块下实现显示方式的控制（左移、右移、上移、下移、替换）和显示状态的控制（停留时间、移动速度等）。

2.3系统集成测试

由于uclinux内核中已经有一些基本硬件设备的驱动程序，不需要用户在进行独立开发，节约了开发时间，但是有些用户添加的外围设备就需要用户自己编写其驱动程序实现操作系统与硬件的连接。下载uxlinx内核到控制器中，利用测试程序实现控制器中各外围电路的功能。保证控制器硬件和JTAG的完全正确。最后利用调试工具调试所开发的应用程序，完成软硬件的系统测试。

3系统设计难点及关键技术

利用uclinux操作系统控制硬件底层平台，比以往单片机控制中无操作系统，一方面很大地提高了系统的稳定性能。另一方面简化了应用程序的编写，避免了底层复杂容易出错的汇编程序。

采用FPGA的设计方法，把各种功能模块集成在一块芯片上，具有高度的集成能力，可以更好地适应嵌入式系统体积小功耗低的特点，同时减少外部的信号对于系统的干扰，为以后的升级留下空间。所以在LED CMS系统设计中，有以下难点和关键技术需要注意。

3.1软件方面

在系统设计开发中，由于有操作系统，系统软件开发是一个难点，主要表现在以下几个方面:

（1）构造适合SAMSUNG S3C44B0X处理器的uclinux嵌入式操作系统，即精简内核，把与硬件无关的代码从内核中去掉，使内核缩减到最小；

（2）编写系统的启动代码，即bootloader编写，这些代码编写的好坏直接关系得系统的性能，且代码必须符合硬件的要求，并且按特定的顺序完成；

（3）根据硬件的配置和软件开发平台，编写相应的驱动程序；

（4）应用程序的编写，内核与应用程序的编译与连接；

（5）嵌入式系统内核的调试和应用程序的调试；

（6）硬件电路中FPGA的实现，发挥FPGA优势，可使得系统的可靠性、稳定性、灵活性大大增加。

3.2硬件方面

（1）控制器外围电路的设计，为了实现LED CMS的功能，目标板外围电路设计要有效合理。

（2）控制器PCB版的制作，由于处理器的频率可达66MHz，所以PCB板的布局、布线更要注意抗电磁干扰，使得目标板具有更高的可靠性和安全性。

4硬件结构、原理

4.1嵌入式控制器框图

4.1.1控制器框图见图２

4.1.2框图组成说明

(1)S3C44B0X 处理器：它是整个控制器的核心，其主要功能是用于分析处理命令，控制各种信号的操作。当接收到主控计算机发来的命令后，按照协议分析确认，当指令正确无误时，执行指令，从flash的字库中提取信息，进行数据处理，最后把所要显示的数据送到由FPGA构成的扫描输出电路。由于S3C44B0X内部自身有许多资源，可以实现一些系统设计中的功能。

(2)FPGA器件：由于选用的FPGA器件内部自带RAM，所以不需要外部再加独立的RAM支持它的工作。FPGA接收来自ARM处理器发送来的显示数据，然后发送给屏体，由屏体进行驱动显示。通过改变扫描信号脉冲的频率来自动控制显示屏屏体的亮度。同时通过硬件可编程技术，FPGA可以实现一些设计中其他的功能。详见功能框图。

(3)通信接口电路：为了更好地与主控计算机之间通信，同时为将来的通信方式留下更多的选择空间，控制器中提供了带隔离的RS232/RS485接口、不带隔离的RS232/RS485接口、一个RJ45的以太网口、一个用于无线传输的GPRS接口，提供了更灵活的方式满足不同的要求。同时留有ARM的JTAG和FPGA的JTAG口用于下载和调试，方便以后的配置和升级。

(4)存储电路：选用2MB的flash用于系统程序的存储和字库的存储。选用8MB的SDRAM用于内存，同时有I2C存储器用于键盘和LED灯功能的实现。最后预留CF，SD等存储卡接口以备日后进一步扩展存储空间。

4.2显示屏原理

点阵显示屏每个单元采用８ｘ８点阵的LED模块、驱动器组成。可以显示１６ｘ８、１６ｘ１６点阵汉字、字符、数字。设计中采用TI公司的TPIC6B595作为驱动器。TPIC6B595是一种单片、高电压、中等电流的功率8位移位寄存器,是专为用户需要相对高的负载功率的系统设计的,该器件包括一个8位的串入-并出移位寄存器，它的输出馈入一个8位D型存储寄存器。数据分别在移位寄存器时钟和寄存器时钟的上升沿传输到移位寄存器和存储寄存器。通过把一个TPIC6B595的串口输出连接到下一个TPIC6B595串口输入，可以实现单元的级联。对LED可变情报板的亮度调节，可以通过改变驱动器TPIC6B595中G信号（输出允许信号）的脉冲的占空比来实现。在SRCK（移位时钟）信号有效时，串口输入的数据依次移位，当一行数据全部移到对应的位置时，RCK（锁存时钟）信号对数据进行锁存，G信号控制恒流的输出，改变G信号脉冲的占空比可以控制等效恒流的大小，可以实现显示屏亮度的调节。

5系统软件开发流程

5.1 开发步骤

建立linux开发环境：

（1）安装编译工具

（2）解压uClinux源码包

（3）在解压缩uClinux后，在uClinux-dist/user目录下新建应用程序所存放的目录在目录下编写自己的应用程序Makefile文件。

（4）修改user/Makefile 在Makefile添加自己新建立的程序。

（5）修改config/confin.h修改配置文件。

（6）编译生成带有应用程序的内核。然后下载到目标板上，即完成了应用程序与内核编译与连接。

5.2应用程序开发流程

(1) 主程序是一个循环运行程序, 主程序通过标志位判断是否接收到新的命令, 对于查询类命令，将当前的显示信息或故障代码送给主控计算机。对于显示类的命令，则调用显示数据子程序；对于控制类的命令，按命令完成相应的控制操作。主程序流程图见图3：

(2) 通信中断处理程序由通信中断激活, 主要功能是随时接收主控计算机下达的命令; 对命令进行正确性检查, 包括数据包头、数据包长、设备地址、CRC校验，数据包尾的检查，并且将检查结果回答给监控计算机，如果通信正确，则置通信接收标志为1，否则置通信接收标志为0，然后打开通信中断返回。

6总结

本文设计的LED 可变情报板系统实现了预期的功能，利用ARM7 处理器和FPGA的LED 可变情报板嵌入式控制器具有良好的稳定性和可靠性。系统良好地支持通信网络，为今后系统得进一步开发升级留下空间，尤其为LED 情报板系统在未来的智能交通的信息发布系统中实现网络化、智能化创造有利的条件。同时，随着图形处理的要求和显示效果的提高，以ARM9处理器和FPGA器件的LED情报板系统将会出现，相信在未来不久，随着我国智能交通系统得快速发展，LED 可变情报板系统将会发挥越来越多的作用。

参考文献：

[1] 刘安昱温晓辉等. 基于S3C44B0X 的Uclinux 的移植[J] . 单片机与嵌入式系统,2003.12.

[2] 周立功等. ARM 微控制器基础与实践.北京: 北京航空航天大学出版社.

[3] 王学龙. 嵌入式Linux 系统设计与应用[M] . 北京:清华大学出版社, 2001.

[4] 邓志刚等. 基于嵌入式Linux的可变情报板系统技术与应用，2003.12

[5] ARM7 TDMI ( Rev.4) Technical Reference Manual [ EB/ OL ] .

作者简介：张磊（1983-），男，陕西榆林人，现在西安电子科技大学信息与控制工程研究所硕士在读，研究方向是信号处理与嵌入式系统研究，导师是殷廷瑞副教授，E-mail:sxylzyn@126.com。