基于MCU和FPGA的LED圖文顯示屏控制系統(tǒng)

　　引言

　　目前，市場上的中小規(guī)模LED顯示系統(tǒng)，一般采用傳統(tǒng)的單片機作為主控芯片。對LED大屏幕顯示屏來說，由于數(shù)據(jù)傳輸量大，要求掃描速度快，而單片機內(nèi)部的資源較少、運行速度較慢，難于滿足系統(tǒng)要求。以FPGA作為控制器，一方面，FPGA采用軟件編程實現(xiàn)硬件功能，速度較快；另一方面，它的引腳資源豐富，可擴展性強。因此，用單片FPGA和簡單的外圍電路就可以實現(xiàn)大屏幕LED顯示屏的控制，無需另外設(shè)計漢字庫，具有集成度高、穩(wěn)定性好、設(shè)計靈活和效率高等優(yōu)點。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　LED大屏幕顯示系統(tǒng)由上位機（PC機）、單片機系統(tǒng)、FPGA控制器、LED顯示屏的行列驅(qū)動電路等模塊組成，如圖1所示。上位機負責漢字、字符等數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。單片機系統(tǒng)與上位機之間以異步串行通信工作方式，通過串行端口從上位機獲得已完成格式轉(zhuǎn)換的待顯示的圖形點陣數(shù)據(jù)，并將其存入EEPROM存儲器。之后通過FPGA控制器，將存儲器的顯示數(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CycloneEP1C6,利用VHDL語言編程實現(xiàn)，采用1/16掃描方式，刷新頻率在60Hz以上。本文著重介紹2561024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

　　對大屏幕LED顯示屏來說，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1632點陣屏單元模塊的基本結(jié)構(gòu)，列驅(qū)動電路采用4個74HC595級聯(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，當一行的所有32列數(shù)據(jù)傳送完后，輸出鎖存信號RCLK并選通行信號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16行數(shù)據(jù)掃描一遍（即完成一個周期）后，再從第1行開始下一個周期的掃描。只要掃描的周期小于20ms,顯示屏就不閃爍。

　　2561024大屏幕顯示屏由1632個的1632點陣屏級聯(lián)而成。為了縮短控制系統(tǒng)到屏體的信號傳輸時間，將顯示數(shù)據(jù)分為16個區(qū)，每個區(qū)由161024點陣組成，每行數(shù)據(jù)為1024/8=128字節(jié)，顯示屏的像素信號由LED顯示屏的右側(cè)向左側(cè)傳輸移位，把16個分區(qū)的數(shù)據(jù)存在同一塊存儲器。一屏的顯示數(shù)據(jù)為32KB,要準確讀出16個分區(qū)的數(shù)據(jù)，其存儲器的讀地址由16位組成，由于數(shù)據(jù)只有32KB,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（Y0~Y15）作為鎖存器的鎖存脈沖，在16個讀地址發(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上升沿將該16字節(jié)數(shù)據(jù)同時鎖存入16個8位并轉(zhuǎn)串移位寄存器組中。在下一個16個讀地址發(fā)生時鐘周期，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，移位時鐘為讀地址發(fā)生時鐘的二分頻；另一方面，依次將16個分區(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)有效脈沖信號的上升沿將所有串行移位數(shù)據(jù)輸出，驅(qū)動LED顯示。接下來，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)動第2行顯示，同時移入第3行按照這種各分區(qū)分行掃描的方式完成整個LED大屏幕的掃描顯示。