[摘要] 介绍一种应用广泛的LED大屏幕异步控制器的设计方案。该系统采用高性能32位ARM微处理器为其控制核心，并且基于uc/OS-II进行软件设计。可实现单屏幕多窗口任意位置的显示，使得屏幕显示变得丰富灵活。
[关键词] LED大屏幕; 多窗口显示; ARM微处理器; 异步控制器
1 引言：
以往的LED异步控制器只能把一个屏幕作为一个完整的区域来进行显示，或者简单的加上时间区域或游走字幕区域，这样对于用户来讲往往缺乏足够的灵活性，尤其在屏幕较大的时候。针对以上情况，本文提出了一款基于32位高性能ARM处理器和uc/OS-II的设计方案。它充分利用了uc/OS-II高效的多任务管理功能和ARM处理器强大的运算能力，实现了单屏幕多窗口的任意位置显示，使得显示内容变得更加丰富，显示方式变得更加灵活。
2 ＬＥＤ控制系统的工作原理：
典型的LED异步控制系统主要由PC应用软件、通信模块、数据处理模块、扫描控制模块、驱动模块和LED屏几部分组成，如图１所示。
首先，PC应用软件将文本或图片转化为具有特定格式的点阵信息。然后，通过通信模块将此点阵信息发送给数据处理模块。数据处理模块对这些点阵信息进行各种特技处理，最后通过扫描控制模块和驱动模块将画面在LED屏上进行正确显示。本文所指的LED异步控制器包括通信模块、数据处理模块和扫描控制模块三部分。
3 控制器软件部分的设计：
本控制器的硬件结构如图２所示。数据处理模块由MCU，一片SRAM和一片FLASH存储器组成。MCU选用PHILIPS的基于32位ARM内核的LPC2214处理器，它有着丰富的外围接口资源和强大的运算能力，是整个控制器的核心。SRAM作为MCU进行特技处理时的缓存使用。FLASH存储器用于存储点阵信息和一些必要的参数。
扫描控制模块由CPLD和显存组成。显存为一片SRAM，它用于保存当前显示的一帧点阵信息。CPLD通过地址总线和16位数据总线与MCU相连， 它把从MCU接收到的16位数据按指定地址写入显存，然后再按一定的寻址方式从显存中读出点阵信息进行扫描。MCU只能通过CPLD对显存进行以字（2byte）为单位的写操作。
通信模块包括以太网模块和串口通信模块，用于实现PC与控制器之间的RS232、RS485以及工业以太网通信。
4 控制器软件部分的设计：
为了实现单屏幕、多窗口任意位置的显示，软件部分我们基于uc/OS-II进行设计，这样可以充分利用操作系统高效的任务调度算法，将每个窗口的显示都交由单个任务来完成，从而极大地提高系统的运行速度和可靠性，并且使得程序的开发和扩展变得更加方便。
在进行具体的程序设计之前，首先要确定数据的组织方案。因为好的数据组织方案，对于程序编写来说往往可以达到事半功倍的效果。
4.1 显存的数据组织方案：
对于双色屏，一个像素点需要红、绿两位数据来描述。为了便于处理，我们将横向连续的8个像素点组成一个字（2byte）来进行存储，其中一个字节为红数据，一个字节为绿数据。数据存储顺序为从左到右，从上到下。如图3所示，假如屏幕宽度为160个像素点，显存起始地址为0x83000000，则屏幕第一行的前8个像素点映射到显存中地址为0x83000000和0x83000001的两个字节，第二行的前8个像素点映射到显存中地址为0x83000028和0x83000029的两个字节，依此类推。
4.2 点阵信息转化规则：
由于窗口大小可以任意设置，窗口的位置可以任意摆放。所以对于单个窗口而言，它在显存中的映射可能并非是字（2byte）对齐的。以图4为例，在一个大小为160（宽）×96（高）的屏幕上开设一个左上角坐标为（20,16），大小为86×47的窗口，则此窗口第一行的前4个像素点在显存中的映射为地址是0x83000282和0x83000283的两个字节的低4位，所以这个窗口在显存中的映射并不是字对齐的。由于MCU只能以字（2byte）为单位对显存进行操作，所以PC软件在对该窗口进行点阵信息转换时，如果直接对区域１（窗口的实际大小）进行转换存储，则在对该窗口进行特技处理时会存在大量的位运算，这样会大大降低运算效率，从而影响特技效果的显示，这样就很难满足用户对特技显示效果的要求。
为了解决上述问题，可以将区域1横向扩展成起点坐标为（16,16），大小为96×47的区域2。易知，区域2在显存中的映射是字对齐的。为了避免运算时的位操作，PC软件在对区域1进行点阵信息转换时，可按区域2来进行，只是需将区域1的扩展部分的数据全填为1。这样处理会牺牲掉一小部分FLASH存储器空间，但却可避免特技处理时大量的位运算，从而大大提高运算效率，因此这样做是值得的。
4.3 缓存数据的组织方案：
由于MCU只能对显存进行写操作，而在进行特技运算时，往往需要前一帧信息才能得到下一帧的信息。所以，首先，需要在缓存中划分出一块和显存大小相等，地址一一对应的区域screen用于保存整屏幕的前一帧信息。
又由于MCU对显存只能进行字操作，并且多个窗口之间可能会出现区域重叠，所以如果各窗口的特技运算都直接在screen区域上进行，则窗口重叠部分信息可能会发生混乱。因此如图5所示，也需要在缓存中为每个窗口划分出一块存储器空间（area 1, area 2, …, area n），用于保存本窗口显示的前一帧信息。这样在特技运算时，首先要在area区域中对各窗口数据进行运算得到各窗口的下一帧信息，然后将area区域中数据写入该窗口在screen区域中的相应地址以保存整屏幕最新一帧信息，最后把screen中相应数据写入显存从而完成显示。
4.4 软件设计：
基于上述方案，MCU程序的设计变得非常简洁。程序结构如图6所示，控制器上电后，首先进行系统初始化，然后从FLASH中读取屏参数，进行参数初始化。接着建立任务TaskControl，TaskControl拥有比各窗口显示任务都要高的优先级，它主要用于对各窗口显示任务进行实时管理。每隔一段时间TaskControl就要对reset标志进行一次查询，如果reset=1，它会删除原先建立的各窗口显示任务，然后从FLASH中读取新的窗口个数，依此建立新任务，将每个窗口的显示交由单个窗口显示任务来控制。
下面是任务TaskControl的程序演示：
void TaskControl(void *pdata){
uint8 taskNum;
pdata=pdata;
RESET:
reset=0; //reset标志清零
for(taskNum=3;taskNum<18;taskNum++){ &n