基于FPGA的LED大屏幕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹LED顯示屏的工作原理，提出大屏幕LED圖文顯示屏控制系統(tǒng)MCU+FPGA的設(shè)計(jì)方案。單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)上位機(jī)LED點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA控制器完成顯示數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)掃描并驅(qū)動(dòng)大屏幕LED顯示屏。FPGA控制器由VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，并在QuartuslI中仿真測(cè)試通過。整個(gè)系統(tǒng)外圍電路簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞：FPGA；LED；大屏幕；控制系統(tǒng)

引言
    目前，市場(chǎng)上的中小規(guī)模LED顯示系統(tǒng)，一般采用傳統(tǒng)的單片機(jī)作為主控芯片。對(duì)LED大屏幕顯示屏來(lái)說(shuō)，由于數(shù)據(jù)傳輸量大，要求掃描速度快，而單片機(jī)內(nèi)部的資源較少、運(yùn)行速度較慢，難于滿足系統(tǒng)要求。以FPGA作為控制器，一方面，F(xiàn)PGA采用軟件編程實(shí)現(xiàn)硬件功能，速度較快；另一方面，它的引腳資源豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)。因此，用單片F(xiàn)PGA和簡(jiǎn)單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)大屏幕LED顯示屏的控制，無(wú)需另外設(shè)計(jì)漢字庫(kù)，具有集成度高、穩(wěn)定性好、設(shè)計(jì)靈活和效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    LED大屏幕顯示系統(tǒng)由上位機(jī)(PC機(jī))、單片機(jī)系統(tǒng)、FPGA控制器、LED顯示屏的行列驅(qū)動(dòng)電路等模塊組成，如圖1所示。上位機(jī)負(fù)責(zé)漢字、字符等數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)之間以異步串行通信工作方式，通過串行端口從上位機(jī)獲得已完成格式轉(zhuǎn)換的待顯示的圖形點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，并將其存入EEPROM存儲(chǔ)器。之后通過FPGA控制器，將存儲(chǔ)器的顯示數(shù)據(jù)還原到LED顯示屏。掃描控制電路采用可編程邏輯芯片Cyclone EP1C6，利用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，采用1／16掃描方式，刷新頻率在60 Hz以上。本文著重介紹256×1024的單色圖文顯示屏的FPGA控制模塊。

2 LED顯示屏基本工作原理
    對(duì)大屏幕LED顯示屏來(lái)說(shuō)，列顯示數(shù)據(jù)通常采用的是串行傳輸方式，行采用1／16的掃描方式。圖2為16×32點(diǎn)陣屏單元模塊的基本結(jié)構(gòu)，列驅(qū)動(dòng)電路采用4個(gè)74HC595級(jí)聯(lián)而成。在移位脈沖SRCLK的作用下，串行數(shù)據(jù)從74HC595的數(shù)據(jù)端口SER一位一位地輸入，當(dāng)一行的所有32列數(shù)據(jù)傳送完后，輸出鎖存信號(hào)RCLK并選通行信號(hào)Y0，則第1行的各列數(shù)據(jù)就可按要求顯示。按同樣的方法顯示其余各行，當(dāng)16行數(shù)據(jù)掃描一遍(即完成一個(gè)周期)后，再?gòu)牡?行開始下一個(gè)周期的掃描。只要掃描的周期小于20 ms，顯示屏就不閃爍。

    256×1024大屏幕顯示屏由16×32個(gè)的16×32點(diǎn)陣屏級(jí)聯(lián)而成。為了縮短控制系統(tǒng)到屏體的信號(hào)傳輸時(shí)間，將顯示數(shù)據(jù)分為16個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)由16×1024點(diǎn)陣組成，每行數(shù)據(jù)為1024／8=128字節(jié)，顯示屏的像素信號(hào)由LED顯示屏的右側(cè)向左側(cè)傳輸移位，把16個(gè)分區(qū)的數(shù)據(jù)存在同一塊存儲(chǔ)器。一屏的顯示數(shù)據(jù)為32 KB，要準(zhǔn)確讀出16個(gè)分區(qū)的數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)器的讀地址由16位組成，由于數(shù)據(jù)只有32 KB，因此最高可置為0。其余15位地址從高到低依次為：行地址(4位)、列地址(7位)、分區(qū)地址(4位)。4位分區(qū)地址的譯碼信號(hào)(Y0～Y15)作為鎖存器的鎖存脈沖，在16個(gè)讀地址發(fā)生周期內(nèi)，依次將第1～16分區(qū)的第1字節(jié)數(shù)據(jù)鎖存到相應(yīng)的鎖存器，然后在移位鎖存信號(hào)上升沿將該16字節(jié)數(shù)據(jù)同時(shí)鎖存入16個(gè)8位并轉(zhuǎn)串移位寄存器組中。在下一個(gè)16個(gè)讀地址發(fā)生時(shí)鐘周期，一方面，并轉(zhuǎn)串移位寄存器將8位數(shù)據(jù)移位串行輸出，移位時(shí)鐘為讀地址發(fā)生時(shí)鐘的二分頻；另一方面，依次將16個(gè)分區(qū)的第2字節(jié)數(shù)據(jù)讀出并鎖入相應(yīng)的鎖存器，按照這種規(guī)律將所有分區(qū)的第一行數(shù)據(jù)依次全部讀出后，在數(shù)據(jù)有效脈沖信號(hào)的上升沿將所有串行移位數(shù)據(jù)輸出，驅(qū)動(dòng)LED顯示。接下來(lái)，移位輸出第2行的數(shù)據(jù)，在此期間第1行保持顯示；第2行全部移入后，驅(qū)動(dòng)第2行顯示，同時(shí)移入第3行……按照這種各分區(qū)分行掃描的方式完成整個(gè)LED大屏幕的掃描顯示。

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3 基于FPGA顯示屏控制器的設(shè)計(jì)
3．1 FPGA控制模塊總體方案
    如圖3所示，F(xiàn)PGA控制模塊主要由單片機(jī)與FPGA接口及數(shù)據(jù)讀寫模塊、讀地址發(fā)生器、譯碼器、行地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)鎖存器組、移位寄存器組、脈沖發(fā)生器等模塊組成。

    讀地址發(fā)生器主要產(chǎn)生讀地址信號(hào)，地址信號(hào)送往MCU接口及數(shù)據(jù)讀寫模塊，讀取外部SRAM1或SRAM2中已處理好的LED顯示屏數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)按分區(qū)方式送到數(shù)據(jù)鎖存器組鎖存。鎖存器輸出16分區(qū)數(shù)據(jù)，通過移位寄存器組實(shí)現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換得到顯示屏所需要的串行數(shù)據(jù)，并送往LED顯示屏列驅(qū)動(dòng)電路。脈沖發(fā)生器為各模塊提供相應(yīng)的同步時(shí)鐘，行地址發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的行信號(hào)送往顯示屏的行驅(qū)動(dòng)電路。
3．2 單片機(jī)與FPGA接口及數(shù)據(jù)讀寫模塊
    單片機(jī)與FPGA接口及數(shù)據(jù)讀寫模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。單片機(jī)從EEPROM中讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)顯示要求進(jìn)行處理后，通過接口及數(shù)據(jù)讀寫模塊把數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)緩沖器SRAM1或SRAM2。為提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，保證顯示效果的連續(xù)性，在系統(tǒng)中采用雙體切換技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程。也就是說(shuō)，采用雙SRAM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，兩套完全獨(dú)立的讀、寫地址線和數(shù)據(jù)線輪流切換進(jìn)行讀寫。工作時(shí)，F(xiàn)PGA在一個(gè)特定的時(shí)間只從兩塊SRAM中的一塊讀取顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)另外一塊SRAM與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MCU會(huì)寫入新的數(shù)據(jù)，依次交替工作，可實(shí)現(xiàn)左移、上移、雙屏等顯示模式。如果顯示的內(nèi)容不改變，即一塊SRAM里的數(shù)據(jù)不變時(shí)，MCU不需要給另外一塊SRAM寫數(shù)據(jù)。

    該模塊采用VHDL有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)控制分為4個(gè)狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。其工作過程如下：系統(tǒng)開機(jī)進(jìn)入初始狀態(tài)ST0，單片機(jī)的寫入使能端E為低電平，單片機(jī)從EEPROM中讀取數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)寫入到SRAM1，同時(shí)FPGA讀取SRAM2中的數(shù)據(jù)；當(dāng)單片機(jī)數(shù)據(jù)寫完一屏數(shù)據(jù)后E變?yōu)楦唠娖?，?dāng)FPGA從SRAM2中讀完數(shù)據(jù)、結(jié)束信號(hào)READ_END為低電平時(shí)，進(jìn)入ST1狀態(tài)。

    在ST1狀態(tài)下，若沒有新的數(shù)據(jù)寫入則E保持高電平，F(xiàn)PGA讀取SRAM1的數(shù)據(jù)，為靜態(tài)顯示；只有當(dāng)單片機(jī)的讀入控制信號(hào)E為低電平且READ_END為低電平時(shí)，進(jìn)入ST2狀態(tài)。在ST2狀態(tài)下，單片機(jī)把數(shù)據(jù)寫入SRAM2，同時(shí)FPGA讀取SRAM1的數(shù)據(jù)，單片機(jī)數(shù)據(jù)寫完后E變?yōu)楦唠娖?，?dāng)FPGA一屏數(shù)據(jù)讀完后READ_END為低電平，進(jìn)入ST3狀態(tài)。在ST3狀態(tài)下，如果沒有新數(shù)據(jù)寫入E為高電平，F(xiàn)PGA讀取SRAM2中的數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)有新的數(shù)據(jù)寫入時(shí)E變?yōu)榈碗娖?，?dāng)FPGA一屏數(shù)據(jù)讀完后READ_END為低電平時(shí)，重新進(jìn)入ST0狀態(tài)。通過這種周而復(fù)始的交替工作完成數(shù)據(jù)的寫入與讀取，其端口程序如下：

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3．3 讀地址發(fā)生器
    讀地址發(fā)生器主要產(chǎn)生外部緩存器SRAM1(SRAM2)的讀地址信號(hào)，使系統(tǒng)能正確地從存儲(chǔ)器中讀取相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。其地址最高位為0，其余地址分別為行地址(hang[3．．0])、列地址(lie[6．．0])、分區(qū)地址(qu[3．．0])15位有效地址信號(hào)。在16個(gè)脈沖周期內(nèi)讀出在SRAM1(SRAM2)中的16字節(jié)數(shù)據(jù)，其部分VHDL源程序如下：


3．4 譯碼器
    譯碼器模塊主要是產(chǎn)生16路的分區(qū)信號(hào)(低電平有效)分別控制16個(gè)鎖存器，把16個(gè)分區(qū)的顯示數(shù)據(jù)分別鎖存在相應(yīng)的鎖存器中。
3．5 數(shù)據(jù)鎖存器組及移位寄存器組模塊
    數(shù)據(jù)鎖存器組模塊由16個(gè)8位鎖存器組成鎖存器組，鎖存16個(gè)分區(qū)的數(shù)據(jù)。移位寄存器組模塊由16個(gè)8位移位寄存器組成，把各路鎖存器中8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成同時(shí)輸出的16路串行數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)LED顯示屏，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。
    其生成的元件符號(hào)如圖6所示。其中，DATA IN[7．．0]為每個(gè)分區(qū)的8位并行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為移位時(shí)鐘，CLR為清零信號(hào)，LOAD為數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，CS[15．．0]為16分區(qū)的輸入信號(hào)(接譯碼器的輸出)，DATA_OUT[15．．0]為16路的串行數(shù)據(jù)輸出。

3．6 脈沖發(fā)生器
    系統(tǒng)采用1／16的掃描方式，把數(shù)據(jù)分為16分區(qū)，16分區(qū)數(shù)據(jù)同時(shí)傳送。假設(shè)刷新的頻率為60 Hz(即周期為16．67 ms)，每一行顯示的時(shí)間約為16．67 ms／16=1．04 ms。每行有1024位，則移位脈沖周期為1．04／1024=1．02 μs，即移位頻率為0．983 MHz以上才能滿足要求。由于移位脈沖是數(shù)據(jù)讀取模塊時(shí)鐘的2分頻，因此系統(tǒng)的時(shí)鐘至少1．97 MHz以上，本系統(tǒng)采用50 MHz時(shí)鐘源。其時(shí)序圖如圖7所示。

    其中，RDCLK為FPGA讀取數(shù)據(jù)時(shí)鐘；SCLK是串行輸出的移位時(shí)鐘，是RDCLK的2分頻；LOAD是數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，每次讀完16個(gè)分區(qū)中的某個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)DATA后產(chǎn)生鎖存信號(hào)，數(shù)據(jù)鎖存在數(shù)據(jù)鎖存器組中，其時(shí)鐘是RDCLK的16分頻。

4 FPGA控制模塊的仿真測(cè)試
    在QuartusII 5．1中建立一個(gè)工程，并建立原理圖文件，把單片機(jī)與FPGA接口及數(shù)據(jù)讀寫模塊、讀地址發(fā)生器、譯碼器、行地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)鎖存器、移位寄存器、脈沖發(fā)生器等單元模塊所生的模塊元件符號(hào)連接起來(lái)，構(gòu)成總控制模塊邏輯圖并對(duì)其功能仿真。仿真結(jié)果如圖8所示，從存儲(chǔ)器中讀取16字節(jié)數(shù)據(jù)，經(jīng)并串轉(zhuǎn)換輸出16路的串行數(shù)據(jù)。從波形圖分析，功能正確，且各輸出端口信號(hào)均符合時(shí)序要求。

結(jié)語(yǔ)
    FPGA是在線可編程芯片，可以根據(jù)不同的用戶要求進(jìn)行不同的編程，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期并節(jié)約了硬件的開發(fā)成本。本文以FPGA為主芯片，較完整地設(shè)計(jì)了大屏幕LED單色圖文顯示屏控制系統(tǒng)。隨著LED顯示屏技術(shù)的發(fā)展，FPGA與ARM或DSP等芯片的組合，必將在雙色顯示屏和彩色顯示屏領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。