傳統(tǒng)的大型LED顯示屏系統(tǒng)以單片機(jī)MCU、ARM 或PLD為核心控制芯片，以FPGA為核心的led顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，并且需要以高性能的FPGA芯片作為基礎(chǔ)，而以微處理器為核心的LED顯示屏控制系統(tǒng)不夠靈活，在改變LED屏幕顯示尺寸時(shí)，需要大幅修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)，PLD雖在處理速度上有較大提高且能很好地控制多模塊顯示，但其在時(shí)序電路描述方面明顯不如FPGA。提出了基于FPGA與單片機(jī)MCU的大型LED顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)中FPGA為主控制單元，單片機(jī)為掃描控制單元，該方案簡(jiǎn)化電路，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。實(shí)踐仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)顯示內(nèi)容較多，能較好地支持彩色顯示，降低了功耗，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制顯示。
隨著平板顯示技術(shù)的不斷更新，大型LED顯示系統(tǒng)利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成大面積顯示屏，主要顯示字符、圖像等信息，具有低功耗、低成本、高亮度、長(zhǎng)壽命、寬視角等優(yōu)點(diǎn)。近年來廣泛應(yīng)用在證券交易所、車站機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館、道路交通、廣告媒體等場(chǎng)所。
通常用單一單片機(jī)作為主控器件控制和協(xié)調(diào)大屏幕顯示。由多片單片機(jī)構(gòu)成的多處理器系統(tǒng)，其中一片作為主CPU，其他作為子CPU共同控制大屏幕的顯示，該系統(tǒng)可以減輕主CPU 的負(fù)擔(dān)，提高了LED點(diǎn)陣的刷新頻率。但單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率有限，無法驅(qū)動(dòng)等分辨率LED屏幕，尤其是對(duì)于多灰度級(jí)彩色大屏幕，數(shù)據(jù)送到顯示屏之前要進(jìn)行灰度調(diào)制重現(xiàn)圖像的色彩，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求更高，單片機(jī)控制在速度上無法滿足上述要求。因此該方案主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，主要進(jìn)行一些文字、圖片等靜態(tài)異步顯示的控制。視頻圖像信號(hào)頻率高、數(shù)據(jù)量大，要求實(shí)時(shí)處理，采用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)控制電路，其中的同步控制、主從控制、讀寫控制和灰度調(diào)制等大量電路進(jìn)行了集成，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。與單片機(jī)控制電路相比，電路結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)潔，電路的面積減小，可靠性增強(qiáng)，調(diào)試也更為簡(jiǎn)單，由于FPGA/CPLD可以并行處理多個(gè)進(jìn)程，比起單片機(jī)對(duì)任務(wù)的順序處理效率更高，點(diǎn)陣的刷新頻率也隨之提高。
對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高、數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合下，可編程邏輯器件是首選的核心數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)考慮對(duì)于傳輸視頻數(shù)據(jù)大小和驅(qū)動(dòng)LED大屏幕刷新頻率的要求，LED發(fā)送卡、接收卡均采用FPGA作為核心處理器，筆者選擇Xilinx公司基于90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256，內(nèi)有25萬邏輯門，最高頻率可以達(dá)到600MHz，完全可以滿足系統(tǒng)速度的要求在系統(tǒng)中作為掃描控制單元，同時(shí)以MCU芯片為主控制單元。采用該方案可以有效簡(jiǎn)化顯示屏的電路結(jié)構(gòu)，從而提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
1 系統(tǒng)的組成和工作原理
該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)和SDRAM 組成控制中心，由基于Xilinx公司的FPGA的90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256和RAM 組成掃描控制模塊，以FLASH作為存儲(chǔ)器模塊，采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，組成LED屏的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：主機(jī)通過TFTP協(xié)議將圖片傳輸給系統(tǒng)以太網(wǎng)接口模塊，以太網(wǎng)接口模塊解析協(xié)議，接收?qǐng)D片數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU 將接收到的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)模塊NAND FLASH.在顯示時(shí)，MCU讀取FLASH 中的數(shù)據(jù)，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸給FPGA掃描控制模塊，經(jīng)掃描控制模塊處理后傳輸?shù)絃ED屏幕上顯示。
圖1 基于FPGA和MCU的LED顯示屏控制系統(tǒng)框圖
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中需要用2片RAM 芯片作為緩存來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，并以乒乓方式進(jìn)行快速讀寫操作。目前主要有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM），SRAM 的讀寫時(shí)間短，靜態(tài)功耗比較低，總線利用率高，它不需要刷新電路就能保存內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，但是它的集成度較低，相同的容量占用體積大，價(jià)格較高，主要用于性能要求較高的領(lǐng)域。
DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間，它使用電容存儲(chǔ)，必須經(jīng)常刷新電路來保存數(shù)據(jù)，它的讀寫過程比較復(fù)雜，時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)功耗較大，總線利用率比較低。不過DRAM 的存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜，被大量用在服務(wù)器和電腦中。由于DRAM 讀寫過程比較復(fù)雜，本系統(tǒng)要求存儲(chǔ)器有快速的讀寫響應(yīng)，所以設(shè)計(jì)中選用SRAM 作為存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)所用的LED屏大小為512×64，每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)（RGB）占用24bit，則一場(chǎng)畫面的數(shù)據(jù)量為512×64×24=768kbits.本設(shè)計(jì)選用ISSI公司的IS61LV25616芯片來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。SAA7111輸出16bit視頻信號(hào)，16位數(shù)據(jù)線正好方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它的容量為256×1 024×16bit，足夠存儲(chǔ)一場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，并有留有充足的容量供系統(tǒng)以后的升級(jí)。SRAM 的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 SRAM 電路
傳統(tǒng)的大型LED顯示屏系統(tǒng)以單片機(jī)MCU、ARM 或PLD為核心控制芯片，以FPGA為核心的led顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，并且需要以高性能的FPGA芯片作為基礎(chǔ)，而以微處理器為核心的LED顯示屏控制系統(tǒng)不夠靈活，在改變LED屏幕顯示尺寸時(shí)，需要大幅修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)，PLD雖在處理速度上有較大提高且能很好地控制多模塊顯示，但其在時(shí)序電路描述方面明顯不如FPGA。提出了基于FPGA與單片機(jī)MCU的大型LED顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)中FPGA為主控制單元，單片機(jī)為掃描控制單元，該方案簡(jiǎn)化電路，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。實(shí)踐仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)顯示內(nèi)容較多，能較好地支持彩色顯示，降低了功耗，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制顯示。
隨著平板顯示技術(shù)的不斷更新，大型LED顯示系統(tǒng)利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成大面積顯示屏，主要顯示字符、圖像等信息，具有低功耗、低成本、高亮度、長(zhǎng)壽命、寬視角等優(yōu)點(diǎn)。近年來廣泛應(yīng)用在證券交易所、車站機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館、道路交通、廣告媒體等場(chǎng)所。
通常用單一單片機(jī)作為主控器件控制和協(xié)調(diào)大屏幕顯示。由多片單片機(jī)構(gòu)成的多處理器系統(tǒng)，其中一片作為主CPU，其他作為子CPU共同控制大屏幕的顯示，該系統(tǒng)可以減輕主CPU 的負(fù)擔(dān)，提高了LED點(diǎn)陣的刷新頻率。但單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率有限，無法驅(qū)動(dòng)等分辨率LED屏幕，尤其是對(duì)于多灰度級(jí)彩色大屏幕，數(shù)據(jù)送到顯示屏之前要進(jìn)行灰度調(diào)制重現(xiàn)圖像的色彩，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求更高，單片機(jī)控制在速度上無法滿足上述要求。因此該方案主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，主要進(jìn)行一些文字、圖片等靜態(tài)異步顯示的控制。視頻圖像信號(hào)頻率高、數(shù)據(jù)量大，要求實(shí)時(shí)處理，采用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)控制電路，其中的同步控制、主從控制、讀寫控制和灰度調(diào)制等大量電路進(jìn)行了集成，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。與單片機(jī)控制電路相比，電路結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)潔，電路的面積減小，可靠性增強(qiáng)，調(diào)試也更為簡(jiǎn)單，由于FPGA/CPLD可以并行處理多個(gè)進(jìn)程，比起單片機(jī)對(duì)任務(wù)的順序處理效率更高，點(diǎn)陣的刷新頻率也隨之提高。
對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高、數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合下，可編程邏輯器件是首選的核心數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)考慮對(duì)于傳輸視頻數(shù)據(jù)大小和驅(qū)動(dòng)LED大屏幕刷新頻率的要求，LED發(fā)送卡、接收卡均采用FPGA作為核心處理器，筆者選擇Xilinx公司基于90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256，內(nèi)有25萬邏輯門，最高頻率可以達(dá)到600MHz，完全可以滿足系統(tǒng)速度的要求在系統(tǒng)中作為掃描控制單元，同時(shí)以MCU芯片為主控制單元。采用該方案可以有效簡(jiǎn)化顯示屏的電路結(jié)構(gòu)，從而提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
1 系統(tǒng)的組成和工作原理
該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)和SDRAM 組成控制中心，由基于Xilinx公司的FPGA的90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256和RAM 組成掃描控制模塊，以FLASH作為存儲(chǔ)器模塊，采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，組成LED屏的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：主機(jī)通過TFTP協(xié)議將圖片傳輸給系統(tǒng)以太網(wǎng)接口模塊，以太網(wǎng)接口模塊解析協(xié)議，接收?qǐng)D片數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU 將接收到的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)模塊NAND FLASH.在顯示時(shí)，MCU讀取FLASH 中的數(shù)據(jù)，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸給FPGA掃描控制模塊，經(jīng)掃描控制模塊處理后傳輸?shù)絃ED屏幕上顯示。
圖1 基于FPGA和MCU的LED顯示屏控制系統(tǒng)框圖
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中需要用2片RAM 芯片作為緩存來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，并以乒乓方式進(jìn)行快速讀寫操作。目前主要有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM），SRAM 的讀寫時(shí)間短，靜態(tài)功耗比較低，總線利用率高，它不需要刷新電路就能保存內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，但是它的集成度較低，相同的容量占用體積大，價(jià)格較高，主要用于性能要求較高的領(lǐng)域。
DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間，它使用電容存儲(chǔ)，必須經(jīng)常刷新電路來保存數(shù)據(jù)，它的讀寫過程比較復(fù)雜，時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)功耗較大，總線利用率比較低。不過DRAM 的存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜，被大量用在服務(wù)器和電腦中。由于DRAM 讀寫過程比較復(fù)雜，本系統(tǒng)要求存儲(chǔ)器有快速的讀寫響應(yīng)，所以設(shè)計(jì)中選用SRAM 作為存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)所用的LED屏大小為512×64，每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)（RGB）占用24bit，則一場(chǎng)畫面的數(shù)據(jù)量為512×64×24=768kbits.本設(shè)計(jì)選用ISSI公司的IS61LV25616芯片來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。SAA7111輸出16bit視頻信號(hào)，16位數(shù)據(jù)線正好方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它的容量為256×1 024×16bit，足夠存儲(chǔ)一場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，并有留有充足的容量供系統(tǒng)以后的升級(jí)。SRAM 的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 SRAM 電路
2.2 FPGA的硬件設(shè)計(jì)
FPGA的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。FPGA 需要提供大量的I/O引腳和高速的顯示控制信號(hào)，所選用的基于Xilinx公司的FPGA 的90nm 工藝制造的XC3S250E-FTG256可以滿足設(shè)計(jì)的要求。
圖3 FPGA的硬件結(jié)構(gòu)
2.3驅(qū)動(dòng)電路
FPGA采用的電壓是3.3V，而LED屏體顯示電路的電壓是5V的TTL邏輯電平，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的電路。這個(gè)電路由74HC245構(gòu)成，工作電壓為5V，74HC245采用CMOS工藝，是一種三態(tài)輸出、8組總線收發(fā)器，其輸入電平兼容3.3V系統(tǒng)，使用外接的5V電源將輸出電平提升到5V，同時(shí)為各種控制和數(shù)據(jù)信號(hào)提供驅(qū)動(dòng)能力。74HC245的電路如圖4所示。其中：OE為輸出控制引腳，低電平為有效；DIR引腳用于控制轉(zhuǎn)換方向，接高電平時(shí)表示從A向B轉(zhuǎn)換，A0~A7用于輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，B0~B7用于輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號(hào)。
圖4 74HC245驅(qū)動(dòng)電路
2.4顯示板的驅(qū)動(dòng)電路
LED顯示板的面積很大，它的正面由LED 顯示塊級(jí)聯(lián)而成，背面是驅(qū)動(dòng)電路。由于LED的驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較大，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡量和LED點(diǎn)陣模塊靠近。因此行列驅(qū)動(dòng)器一般都安裝在屏體的背面。LED顯示板的驅(qū)動(dòng)電路中采用了74HC595芯片，是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件，兼容低電壓TTL電路，具有8位串入并出的移位、并行鎖存和三態(tài)輸出功能。移位寄存器和鎖存器使用獨(dú)立的時(shí)鐘，數(shù)據(jù)SDATA 在SCLK的上升沿輸入移位寄存器，在LT的上升沿進(jìn)入的鎖存器中去。當(dāng)使能信號(hào)OE為低電平時(shí)，鎖存器的數(shù)據(jù)輸出到LED.74HC595芯片可以解決數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)串行傳輸在時(shí)間上的沖突問題，在顯示1行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以準(zhǔn)備下1列的LED數(shù)據(jù)。以1/16行掃描為例，LED顯示板的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。
CLK是移位寄存器時(shí)鐘，每個(gè)脈沖將引起1位數(shù)據(jù)移入74HC595中，當(dāng)1行的數(shù)據(jù)全部移完后，鎖存信號(hào)LT控制數(shù)據(jù)從74HC595的寄存器移入鎖存器。A、B、C、D是行掃描信號(hào)，其中A是最低位，通過4/16譯碼器控制LED屏的行掃描。OE是消影信號(hào)，它可以選擇控制行信號(hào)或列信號(hào)，用于LED點(diǎn)陣是否能被點(diǎn)亮和控制整屏的亮度。如果OE控制列信號(hào)，它接74HC595芯片的OE端，因?yàn)橹挥挟?dāng)OE為低電平時(shí)74HC595的輸出才有效，否則輸出三態(tài)。如果OE控制行信號(hào)，它接到4/16譯碼器的使能端，低電平時(shí)行掃描不起作用。
圖5 LED顯示板的驅(qū)動(dòng)電路
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括2部分：上位機(jī)應(yīng)用軟件和嵌入制單元軟件。上位機(jī)軟件編輯在LED顯示屏上顯示的數(shù)息，并實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信；嵌入式控制單元軟件實(shí)現(xiàn)了接收和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸出和圖像顯示方式變換，從而實(shí)現(xiàn)LED屏的控制。
3.1上位機(jī)應(yīng)用軟件
上位機(jī)應(yīng)用軟件用Visual C++編寫，主要實(shí)現(xiàn)顯示的編輯與通訊的功能。該軟件運(yùn)行于WindowsXP環(huán)境中，方便用戶使用。完成的功能有：（1）對(duì)顯示信息進(jìn)行編輯、修改功能，也可以直接調(diào)用Windows中的256色畫圖文件（*.bmp）；（2）在上位機(jī)上對(duì)顯示的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)覽，以保證有較好的顯示效果；（3）依照上位機(jī)與I2C接口模塊的協(xié)議，將信息傳輸給系統(tǒng)以I2C接口模塊，從而實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的更新。
3.2嵌入式控制單元的軟件
嵌入式控制單元的軟件實(shí)現(xiàn)以下3大功能：數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸出和圖像顯示方式變換。（1）依照顯示屏與上位機(jī)之間的通訊協(xié)議，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，接收顯示數(shù)據(jù)，存入Flash存儲(chǔ)器。（2）將待顯示的數(shù)據(jù)從Flash存儲(chǔ)器中取出，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)上移、下移、左移、右移等豐富多彩的圖像顯示效果。（3）通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸給掃描控制模塊，F(xiàn)PGA通過串并轉(zhuǎn)換等將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合LED屏驅(qū)動(dòng)電路格式的數(shù)據(jù)，然后傳到LED屏幕上顯示出來，仿真如圖6所示。
圖6 軟件模擬顯示效果
4 結(jié)語
與傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的LED屏控制系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)在不增加系統(tǒng)成本的情況下，可支持256灰度級(jí)的全彩圖文信息的顯示，可以播放全彩動(dòng)畫；可存儲(chǔ)較大容量的數(shù)據(jù)（64MB）；通過I2C接口快速傳輸數(shù)據(jù)，為顯示區(qū)域較大、顯示內(nèi)容切換頻繁的大屏幕LED顯示控制系統(tǒng)提供良好的解決方案。