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1、11哈尔滨工程大学信息与通信工程学院学士学位论文开题报告基于单片机的点阵拼接旋转显示系统的设计与实现专 业：通信工程学 号：学生姓名：指导教师： 指导教师审阅意见指导教师： 年 月 日111.选题背景及意义LED 显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了实用阶段。LED 显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点 1
2、。在短短的十来年中，LED 点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。LED 的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。LED 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示。 （2）机场航班动态信息显示。 （3）港口、车站旅客引导信息显示。 （4）体育场馆信息显示。 （5）道路交通信息显示。 （6）调度指挥中心信息显示。 （7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。 （8）广告媒
3、体新产品等。2.国内外发展和现状（1）我国 LED 产业发展现状我国的 LED 显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计，至 1998 年底，年度销售总额在 1000 万元以上的企业有 20 多家，其销售总额达 6 亿元左右，占行业市场总额的 85%以上。全国从事 LED 显示屏的各类企业有 100 余家，从业人员近 6000 人，行业年度销售总额近 8 亿元人民币，1996 年、1997 年的增长速度均保持 40%左右，1998 年略有回落。在国内市场上，国产 LED 显示屏的市场占有率近 100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中
4、心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等， 均由国内代表企业中标。技术水平相对领先,我国 LED 显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。90 年代初即具备了成11熟的 16 级灰度 256 色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色 LED 显示屏、 256 级灰度视频控制技术、集群无经线控制、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；LED 显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED 显示屏产业培养形成了一批 LED 显示屏科技队伍，在全国 LED 显示屏行业的从业人数 6000 人中，科技人员
5、有 2800 多人，将近 50%。LED 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 （2）LED 显示屏的发展趋势现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入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无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色 LED 产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使 LED 全彩色显示产品成本下降，应用加快。LED 产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、
6、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，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED 显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色 LED 屏更会成为主流产品。全彩色 LED 显示屏的广泛应用会是 LED 显示屏产业发展的一个新的增长点。未来 LED 显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展 2。（3）选题意义11该设计课题使我们能够掌握 LED 显示屏的基本显示原理和设计方法，对 LED 显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。并且对大学期间所学习的一些理论进行了
7、实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。并且通过该设计课题掌握了 51 单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED 显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。但同时应该清楚的认识到我国的 LED 技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。因此此课题不论是对自己的就业还是对我国 LED 显示技术的发展都有非常现实与积极的意义3.1研究目标本课题的目标是在详细研究 LED 点阵的显示原理，以 8*8 的 LED 点阵为基础，实现对 16*16LED 点阵的拼接，并且在基础的显示功能
8、上通过单片机编程实现编写并调试程序使系统具备多种显示功能，如：滚动、闪现、拉幕、擦除等，以及编写并调试程序使系统具备摆放位置不同，自动旋转显示的功能3.2研究内容论文研究的内容主要包括以下几个方面第一部分介绍 8*8 点阵的基本原理和特性，重点分析 BOC 信号的时域特性、频率谱特性以及自相关函数的特性。讨论实际卫星信号中的多普勒频移、噪声以及多径等因素。利用 Matlab 仿真 BOC(1,1)基带信号的生成，再将其进行 BPSK 调制，并验证之前介绍的特性。第二部分主要研究卫星信号同步处理技术中的捕获技术。首先讨论常见信号的捕获方式，包括串行捕获、时域并行捕获、多普勒并行捕获和码延时并行捕
9、获。通过认真研究这些捕获方式的优缺点，选出一种合理高效的捕获方式，并用 matlab 对产生的 BOC 信号进行捕获过程的仿真，分析仿真结果。第三部分主要研究卫星信号的同步处理技术中的跟踪技术，研究信号跟踪的原理和意义。信号跟踪分为载波跟踪和码跟踪。从本质上说，载波跟踪环是一个锁相环结构。首先对锁相环结构进行详尽的研究，比较锁相环的各种各样具体的实现方法，选择合理的结构作为载波跟踪环。码跟踪环一般采用早迟门结构，由于 BOC 信号同步存在相位模糊性问题，会造成漏检和使捕获时间增加。现在消除 BOC 信号模糊性的方法有过采样法，跳跃技术，仿 BPSK 技术，子载波11相位消除（SCPC）技术和
10、ASPeCT 算法等，通过研究这些技术，分析其优缺点，选择合理的方法。第四部分是 BOC 调制信号同步过程的 FPGA 的实现以及验证设计的正确性。以 FPGA 芯片为核心构建 BOC 调制信号同步算法的硬件平台,对整个同步电路进行设计,主要模块包括:BOC 调制信号发生器模块，捕获模块和跟踪模块。将设计好的模块在 QuartusH 软件中综合编译，利用 Modelism 进行仿真并将仿真后的数据保存以供 Matlab 进行分析其频谱，验证设计的正确性。确定设计无误后，进行布局布线下载到 FGPA 开发板中实现信号的同步,利用频谱分析仪测试产生的 BOC 调制信号的正确性,在此基础上对基于本文
11、所提算法的同步过程进行仿真与验证。3.3研究方法及技术路线3.3.1研究方法(1）文献研究法。根据课题研究的目标和内容，充分利用学校图书馆和网络资源，通过文献研究活动，全面、正确地了解、掌握 BOC 同步算法的国内外研究现状、实现方案和关键技术的解决方案。（2）实验研究法。在文献研究活动的基础上，对比分析现有成熟可靠的技术方案，设计出本项目的总体方案，然后开展各关键技术的研究，主要通过实验研究各部分的性能和技术指标，探索关键技术的解决方案。（3）理论研究法。理论研究不是本项目研究的重点，本项目理论研究主要是研究 BOC 信号的捕获、跟踪算法，并通过理论仿真验证算法的合理性。3.3.2技术路线本
12、项目采用 BOC 同步算法研究、matlab 算法仿真、软件仿真实验以及硬件调试及测试等技术路线进行研究。先进行算法研究与仿真，在进行电路研究与仿真，循序渐进，保证项目按时保质完成。具体技术路线如下：（1）查阅资料，设计项目的总体方案。（2）设计系统各模块的算法模型，并使用 simulink 对所设计的算法模型进行仿真，验证算法设计的合理性。（3）使用 quartus ii 软件进行 FPGA 的实现，将上述的算法模型转为数字电路的实现。在这个过程中，要注意考虑同步流水延时，全局时钟的约束设计，并要注意节省逻辑资源。电路图设计完毕，用 modelism 软件进行功能仿真和时序仿真，并将仿真结果
13、保存供 matlab 进行频谱分析，确保设计的正确性。这个是项目研究工作的重点，需要根据仿真测试发现的问题，改进设计，以求达到更高的技术指标。（4）使用 Altium Designer 设计印制电路板，在这个过程中注意考虑电磁兼容性问题。然后是焊接、调试硬件电路，确保设计的 FPGA 目标板能正常工作。 （5）算法实现和系统联调。将算法在硬件平台上实现，主要涉及 FPGA 的使用，11FPGA 完成 BOC（1,1）基带信号的生成和进行 BPSK 调制，实现 BOC 信号的捕获、跟踪模块的实现。4.关键技术难点及系统方案设计4.1 BOC调制信号的信号发生器设计为了验证各个模块功能的正确性，要
14、设计 BOC 调制信号的发生模块。这个模块的功能是仿真卫星接收机收到的 BOC(1,1)调制信号，模块总体结构见图 4-1。由图可知，这个模块主要包括有 BOC 基带信号模块、载波 NCO 模块和调制模块等。图 4-1 BOC调制信号模块4.2 信号捕获方案分析信号捕获主要是对各路卫星信号的多普勒频率和码延时进行粗略估计。它本质上是一个相关过程，通过将接收到的信号与接收机本地信号进行运算，利用其信号正交性，通过检测不同取值时自相关值得大小估计信号的多普勒频率和码延时。4.2.1 串行捕获串行捕获是所有捕获方式中最为基础的，它的实现方式也较为简单，因此非常适合于硬件电路的实现。但由于它在伪随机码
15、和多普勒频率的搜索空间内，一次仅搜索一个单元，最坏情况下需要依次搜索所有的单元，因此捕获速度较慢。串行捕获的实现框图如图 4-2 所示。它通过在本地接收机中依次复现伪随机码和多普勒频率的组合，与接收信号进行相关，根据这个相关值来判断是否有信号被捕获。11图 4-2 串行捕获框图串行捕获实际上是一个非相干包络检波的结构，它对信号的捕获不依赖于接收信号的载波相位信息，整个结构实现起来较为简单，但由于每次只能对一组码延时和多普勒频率的组合进行搜索，整个信号捕获过程将需要较长时间。4.2.2 串行捕获针对串行捕获所存在的捕获时间较长的问题，可以增加接收机内的串行捕获结构，通过将搜索区间划分为多个子区间
16、，使它们在不同的子区间内同时进行信号捕获操作，从而达到缩短捕获时间的目的。这是目前大多数硬件卫星接收机所采用的方法，它通过增加硬件复杂度来换取捕获时间的缩短。设串行捕获结构的数目为 M，则时域并行捕获将使捕获时间缩短为原先的 1/M。可以看出，虽然时域并行捕获缩短了捕获所需的时间，但它本质上和串行捕获没有太大区别。4.2.3 多普勒频率并行捕获多普勒频率并行捕获是将原先二维搜索问题变为在码延时方向上的一维搜索问题的，其实现框图如图 4-3 所示。需要指出的是，采用多普勒频率并行捕获，多普勒频率方向上的搜索步长将不再是可以任意选取的了，而是受到 FFT 频率分辨率的限制。图 4-3 多普勒频率并行捕获11本文的仿真信号中,T 取 1ms，则频率分辨率 f 为 1/1ms=1kHz。多普勒频率步长的选取则必须是 fres 的整数倍，通常选取为与 fres 相等。本设计的多普勒步长选为 1kHz，因此可以符合要求。此外，FFT 运算一次给出
