基于Cyclone EP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系統(tǒng)設計

目前采用的LED大屏幕顯示系統(tǒng)的控制電路大多由單個或多個單片機及復雜的外圍電路組成，單片機編程比較復雜，整個電路的調(diào)試比較麻煩，可靠性和實時性難以得到保證。針對這種情況，本文提出了一種基于SPCE061A和Cyclone EP1C6的LED大屏幕解決方案。該設計方案無須外掛FLASH ROM和RAM，無須任何外部功能電路，所有功能均由一片EP1C6和一片SPCE061A實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理速度快、可靠性高?！?br />
SPCE061A和CycloneEP1C6簡介

SPCE061A是凌陽科技的一款16位微控制器，內(nèi)嵌32KB閃存和2KB字SRAM。CPU最高可工作在49MHz的主頻下，較高的處理速度使SPCE061A能夠非常容易、快速地處理復雜的數(shù)字信號。本文設計的是一個點陣大小為192×128的單色(紅色)顯示屏，且按要求連續(xù)顯示5屏數(shù)據(jù)，SPCE061A豐富的片內(nèi)資源正好滿足了如此大的數(shù)據(jù)處理和存儲要求。本文采用由UART中斷接收上位機數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入32KB閃存中的方法，取代了傳統(tǒng)MCU+ROM+RAM的設計，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

Cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性價比FPGA。該器件提供的具有異步、雙端口、帶寄存器輸入口、可選擇的帶寄存器輸出口的存儲模塊—M4K在本設計中被設置成一個雙口RAM，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫同步，提高了系統(tǒng)的刷新頻率。

整體設計方案

本系統(tǒng)設計的是一塊具有192×128個紅色LED點陣的電子大屏幕。整塊大屏幕是模塊化的結構，每4個16×16的點陣塊為一個最小模塊，每行點陣由3個同樣的最小模塊級聯(lián)而成，共8行。大屏幕上要求連續(xù)顯示5屏內(nèi)容，且每屏都具有上下左右移動等動畫效果。實際應用中主控制室距離電子屏約為200米。結合設計對象的要求和大屏幕設計的特點，本文提出了一種新穎的設計方案。該方案的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

LED大屏幕系統(tǒng)由3個主要單元組成：上位機圖像/文字編輯與發(fā)送部分單元、主控板單元、顯示驅(qū)動電路單元。系統(tǒng)上位機由一臺PC機來控制，它主要編輯、發(fā)送圖像/文字信息到主控板的存儲器中；主控板對這些字模數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送到大屏幕，并在大屏幕上顯示出來。

系統(tǒng)硬件設計

上位機發(fā)出的信息經(jīng)符合RS-422標準的接口通過雙絞線傳送到主控板上，通訊速率可在上位機軟件中設置。接口所用芯片為MC3487和MC3486,RS-422在傳輸速率為100kb/s時，可傳輸?shù)淖畲缶嚯x為1200米。本系統(tǒng)的傳輸距離約為200米，傳輸速率最大為115kb/s，采用RS-422方式傳輸可滿足這一長距離通訊的要求。

主控板單元設計

該單元的設計特點在于數(shù)據(jù)流接收、存儲以及驅(qū)動掃描的單片集成，無須任何外圍電路。主控板由一片SPCE061A和EP1C6組成,如圖2所示。

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nbsp; 圖2 主控板框圖

該單元的設計思路是，由單片機的IOB7口以UART中斷的方式接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)。這是由于大屏幕處于被動、循環(huán)往復的顯示狀態(tài)，采用異步傳輸能減少系統(tǒng)不斷查詢串口接收標志位的系統(tǒng)消耗。單片機將接收的串口數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)為單位逐一寫入內(nèi)置的閃存中。單片機內(nèi)部的2KB SRAM作為緩存區(qū)，每當單片機要向FPGA中寫一屏新的數(shù)據(jù)時，先按特定的地址從閃存中讀出數(shù)據(jù)并存放到SRAM中，再將SRAM中的數(shù)據(jù)并行寫到FPGA的雙口RAM中。單片機與FPGA的接口信號除了16根數(shù)據(jù)線外，還包括單片機向FPGA寫數(shù)據(jù)的地址、寫使能和寫時鐘。由于每屏的點陣數(shù)為192×128，16位數(shù)據(jù)并行傳輸所需的地址線為11根。但由于設計需要，系統(tǒng)中還專門設置了1根額外的地址線，用于對FPGA的雙口RAM進行讀寫分區(qū)，因此共使用了12根地址線。

FPGA在其內(nèi)部配置一個雙口RAM緩存單片機寫入的數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)按照大屏幕的結構和掃描電路的特點選擇性地讀出，然后對數(shù)據(jù)由并轉(zhuǎn)串輸出到大屏幕的掃描驅(qū)動電路。由于大屏幕采用模塊化的隔行掃描方式，每行需要2根數(shù)據(jù)線進行隔行傳輸,整塊大屏幕共需16根數(shù)據(jù)線。由于點陣的行列驅(qū)動均采用74LS595驅(qū)動，故FPGA還應產(chǎn)生列掃描的點時鐘、鎖存信號和行掃描的數(shù)據(jù)、時鐘、鎖存信號。

雙口RAM的配置

由于數(shù)據(jù)顯示是一種動態(tài)掃描方式，如果采用一個RAM區(qū)，當單片機寫RAM 時，F(xiàn)PGA只能處于等待狀態(tài)，這樣就會導致屏幕動態(tài)掃描停止。由于屏幕數(shù)據(jù)是移位輸出的，當掃描停止時，因為會有某一行的高電平保持較長的時間，該行就會一直保持較強的亮度，影響屏幕的顯示效果。本系統(tǒng)中設計了2個同樣大小的RAM 區(qū)：A區(qū)和B區(qū)，讓單片機交替進行寫操作。當單片機在寫A區(qū)時， FPGA就去讀B區(qū)的字模數(shù)據(jù)；當單片機寫B(tài)區(qū)時，F(xiàn)PGA就去讀A區(qū)的字模數(shù)據(jù)。這樣就不會造成FPGA的停止掃描，保證了各行的點陣有相同的時間占空比，使屏幕點陣有同樣亮度。單片機中的 HIGHADR引腳可用于控制單片機的寫區(qū)和FPGA的讀區(qū)。

由于每屏點陣數(shù)據(jù)的大小為1536字,A區(qū)和B區(qū)的容量都至少要大于1536,那么整個的RAM區(qū)至少為1536×2字?？紤]到EP1C6內(nèi)部集成了20塊容量為256字的M4K模塊,正好可以滿足本系統(tǒng)對RAM的需求。雙口RAM的配置如圖3所示。

圖3 雙口RAM配置

其中wren是單片機往FPGA中寫入數(shù)據(jù)的寫使能信號，wraddress[11..0]是寫地址信號， wrclock是寫時鐘，data[15..0]是寫數(shù)據(jù)，rdaddress[11..0]是讀地址信號，rdclock是讀數(shù)據(jù)的時鐘信號，q[15..0]是讀出的數(shù)據(jù)。對于這個雙口RAM而言，只有q[1

5..0]是輸出端口，其它均為輸入端口。與寫數(shù)據(jù)相關的信號全部由單片機產(chǎn)生，讀數(shù)據(jù)的所有信號由FPGA產(chǎn)生。其中讀寫地址的最高位可實現(xiàn)RAM分區(qū)。

點陣驅(qū)動電路

本系統(tǒng)中LED的灰度等級是采用調(diào)制占空比的方法來實現(xiàn)的，由于大屏幕是單色點陣，主要用來顯示文字信息，所以要求亮度高且均衡。根據(jù)這一特點，采用了模塊化的隔8行掃描方式。每隔8行點陣同時進行掃描，則每行的占空比是1/8，使屏幕亮度得到保證。

點陣的驅(qū)動電路分為行驅(qū)動和列驅(qū)動，列驅(qū)動采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，易于模塊化。列驅(qū)動電路由74LS595組成，行驅(qū)動電路由74LS595和與之配套的反相器7406、PNP達林頓功率三極管TIP127組成。所有作為行驅(qū)動74LS595的數(shù)據(jù)時鐘信號、數(shù)據(jù)鎖存信號、掃描數(shù)據(jù)、時鐘、鎖存信號都在一起，所有作為列驅(qū)動74LS595的數(shù)據(jù)時鐘信號、數(shù)據(jù)鎖存信號、掃描數(shù)據(jù)、時鐘、鎖存信號也是在一起的，這樣可以實現(xiàn)大屏幕的同步顯示。

軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計由3部分組成：上位機圖像/文字編輯與發(fā)送軟件設計、單片機控制單元軟件設計，以及FPGA控制單元軟件設計。

上位機軟件設計

上位機的圖像/文字編輯與發(fā)送軟件由Visual Basic編寫，只須在界面中將屏幕大小設置為192×128，串口選擇COM1或COM2，波特率設置為9600，并設置每屏的起始地址和要發(fā)送的屏數(shù)，調(diào)入包含相關信息的文件，點擊“發(fā)送”按鈕即可。數(shù)據(jù)流經(jīng)符合RS-422標準的雙絞線傳輸?shù)街骺匕濉Ｔ撥浖m用于任何大小的彩色/單色屏，提供了豐富的圖形/文字編輯、修改功能。也可以直接調(diào)用Windows中的16色畫圖文件(*.bmp)，從而可以利用Windows或基于Windows的各種作圖工具設計出豐富多彩的圖像。

單片機控制單元軟件設計

單片機控制單元的軟件設計主要實現(xiàn)3大功能：串行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)輸出和圖像顯示方式變換。設計流程如圖4所示。串行數(shù)據(jù)接收部分主要是通過UART中斷接收并保存位圖文件。圖像顯示方式變換部分實現(xiàn)圖像的變換，如上移、下移、左移、右移等，以實現(xiàn)豐富多彩的圖像顯示效果。

圖4 主程序流程圖和中斷程序流程圖

FPGA控制單元軟件設計

FPGA控制單元是在QUARTUSII環(huán)境下開發(fā)的，主要功能是配置雙口RAM、傳送數(shù)據(jù)和相應的驅(qū)動信號，以實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的顯示。串行數(shù)據(jù)顯示是軟件設計的核心，該單元的軟件設計模塊如圖5所示。雙端口RAM的配置完全由軟件實現(xiàn)，F(xiàn)PGA讀雙口RAM的A區(qū)還是B區(qū)是由單片機的HIGHADR引腳控制的。FPGA按照顯示驅(qū)動的要求讀出相應的數(shù)據(jù)后，還要將這些數(shù)據(jù)由串轉(zhuǎn)并送至列驅(qū)動的74LS595上。掃描控制信號則在數(shù)據(jù)送到顯示驅(qū)動的過程中產(chǎn)生，用于實現(xiàn)行、列驅(qū)動。

圖5 FPGA控制單元軟件設計框圖

結語

本文提出的基于Cyclone EP1C6和SPCE061A 的LED 大屏幕方案已應用于現(xiàn)場。其基于FPGA的雙口RAM 和掃描控制設計使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。實踐證明，本系統(tǒng)能以多種播出方式顯示各種字體和型號的文字和圖形信息，與同類設計相比，畫面清晰、性能穩(wěn)定、操作使用簡單，具有很好的應用前景。