毕业设计（论文）-基于FPGA的LED显示接口电路设计.doc

III基于FPGA的LED显示接口电路设计摘 要LED显示器广泛应用于交通、证券、电信、广告和宣传领域，它具有寿命长、功耗低、亮度高、驱动简单、响应速度快，且可随意拼装等优点。现在市场上诸多广告牌LED视频屏造价过于昂贵，刷新频率较低，单色屏的显示功能又过于单一，大多需要上位机对显示过程进行实时控制，并且对于大屏幕的系统性能有待提高。针对以上问题本文讨论了利用FPGA与单片机相结合的方法控制实现多路点阵列显示的技术，以FPGA芯片为核心，其基于FPGA的双口RAM配置和驱动控制电路设计成功地解决了传统LED大屏幕设计中控制系统复杂、可靠性差的问题。文中给出了系统的软、硬件实现，介绍了其设计思想、层次结构，在QUARTUS平台下，利用编程和图形文件结合的方法实现了软件设计，经波形仿真验证后，得到了RTL电路连接。实践证明，该系统工作正常，达到了预期的功能。关键词：LED点阵列，FPGA控制器，VHDL，双口RAMThe Realization of LED Display Interface Circuit Based on FPGAABSTRACTLED display has many advantage,such as long lifetime,low power consuming,high brightness,can be easily driving,quick in respondence speed, and can be easily assembled and so on .But nowadays,LED display device in market is very expensive,a bit lower in refurbishing frequency and display function of one-coloured screen is too unitary .most need the superior machine to carry on the real-time control to the demonstration process. large screens system performance are still need to enhance.Discussed the method control which in view of current situation this article unified using FPGA and the monolithic integrated circuit to realize the multi-channel spot array demonstration technology, taking the FPGA chip as the core. pair of mouth RAM and Circuit design of scanning controller which are based on FPGA solves the control system to be complex and bad reliable problem in the traditional LED large screen successfully. In the article,it gaves the realization of systems software and hardware. The text introduces its design idea, the layer structure. Under the QUARTUSII, using the text editor and picture file to combine and care out the software design. After verification of wage fore imitate, hardware electric circuit is realized. In practice, This system works normally, The display characters show accurate and stable.KEY WORDS: LED array,FPGA controlle,VHDL,double mouth RAM 目 录摘 要IIABSTRACTIII1 绪论11.1 FPGA的概述11.1.1 FPGA的发展11.1.2 FPGA的应用21.2 FPGA的设计流程31.3 FPGA的设计优势41.4 面向FPGA的EDA开发流程52 LED72.1 LED显示屏的发展72.1.1 LED显示屏的国内发展现状82.1.2LED显示屏的发展趋势92.2 LED显示屏的结构及其示意图102.3 LED显示屏的种类及特性103 LED电路显示原理123.1 LED点阵显示结构123.2 LED点阵显示模块的显示原理133.3 LED点阵屏的显示原理 PAGEREF _Toc354755902 h 143.4 显示系统扫描程序软件设计 PAGEREF _Toc354755903 h 154 方案选择164.1 总体方案164.2 外围电路连接184.3 模块设计204.3.1 双口RAM存储单元配置204.3.2 FPGA的驱动电路设计244.3.3 FPGA的分频器设计254.4 刷新频率的计算254.5 项目仿真26致 谢28参 考 文 献29附录30附录36附录39附录41附录4345基于FPGA的LED显示接口电路的设计1 绪论1.1 FPGA的概述FPGA器件(Filed Programmable Gate Array)是八十年代中期出现的一种新概念。用户现场可编程门阵列集成电路是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的最新一代系统设计积木块。由于半导体技术的飞跃发展,数字系统应用基本经历了分立元件、小规模集成电路(SSI)，中规模集成电路(MSI)和大规模集成电路(LSI)乃至超大规模集成电路(VLSI)的应用过程。数字系统应用的基本特征仍由中小规模集成度的标准向用户定制的专用集成电路(ASIC)过渡，特别对于现代较复杂的数字系统。若采用SSIMSI器件来设计某个特定的应用，不仅要占用很大的物理空间，而且功耗较大，可靠性差；而采用LSIVLSI器件的专用电路设计，则具有相当高的系统集成度和相对小的功耗，但其开发周期长、开发费用高，具有较大的投资风险性，且有时仍需SSI/MSI器件来设计实现相应的接口逻辑。80年代出现的可编程逻辑器件PLD在一定的程度上为数字系统设计工程师的快捷、灵活设计提供了可能性、PLD器件的应用，使一系列功能强，速度高，灵活性大的积木式系统设计得以成功。但是随着现代数字系统设计的发展，PLD器件1无论在集成容量、功耗、速度乃至逻辑设计的灵活性上，均不能满足现代数字系统的大容量，高速度，现场灵活编程设计的要求。FPGA器件的产生正是由此而来、其作为一种新型的用户现场可编程的专用集成电路，显示了诱人的应用前景。有人预言，九十年代的许多电子系统将以CPU十RAM十FPGA的构成为特征：反映了现代数字系统设计的一种趋势。1.1.1 FPGA的发展FPGA（现场可编程门阵列）是可编程逻辑器件如图1-12，它是在PAL，GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片，这样的FPGA实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是Altera公司和Xilina公司的FPGA器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场。作为半导体工业成长最快的一个领域，FPGA市场正在增长，并呈现一定的不稳定特性，参与FPGA技术和器件研发的公司联盟也在不断地发生变化，新技术和器件不断涌现，新的公司也不断地参与到这个行业，很难说当这个行业达到一个稳定的状态时哪一个产品是最有意义的，这里的讨论仅限于正被广泛使用的产品，在讨论每一个具体的产品器件时，将给出每一个器件的规模，这些器件的规模是由器件厂商给的，以逻辑等效门（一个二输入的NAND门的规模）为器件规模的单位。图1-1 FPGA的组成。今天市场上两种基本的FPGA器件分别是基于SRAM结构和熔丝结构的FPGA。SRAM结构的FPGA技术，Xilinx和Altera处于领先的地位，他们的主要竞争对手是AT&T。在反熔丝技术产品方面Actel，Quicklogic和CYPRESS是领先的厂商。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALRERA的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD|FPGA产品60%以上是由ALTERA和Xilinx提供的。可以讲ALTERA和Xilinx。共同决定了PLD技术的发展方向。1.1.2 FPGA的应用FPGA器件获得了广大的电子设计工程师们的普遍认同，并且在各自不同的设计应用领域得到广泛地使用。这些应用领城包括：随机逻辑、多个SPLD器件系统的集成、设备控制器、通讯编码和滤波、包含SRAM模块的中小规模系统设计以及更广泛的应用领域。一种正在兴起的应用是采用FPGA技术来实现定制的计算机。这种应用要求用可编程器件来运行软件程序，而不是对软件程序进行编译在常规的CPU上执行。用户利用FPGA可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用目前FPGA/CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA/CPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品。电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA/CPLD的优势。电路设计人员使用FPGA/CPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC（集成电路）深层次的知识。FPGA软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计快速将产品推向市场。1.2 FPGA的设计流程下面我们以基于Altera公司的QuantusII软件来简单说明一下设计流程。图1-2是一个典型的基于QuantusII的FPGA开发流程。图1-2 FPGA开发流程（1）建立工程是每个开发工程的开始。QuantusII（以下简称Q2）以工程为单元对设计过程进行管理。（2）建立顶层图。可以这样理解，顶层图是一个容器，将整个工程的各个模块包容在里面，编译的时候就将这些模块整合在一起。也可以理解为它是一个大元件，包含各个模块，编译的时候就是生成一个这样的大元件。（3）采用ALTERA公司提供的LPM功能模块。Q2软件环境里包含了大量的常用功能模块，例如计数器、累加器、比较器、译码器等等。如果不懂得在工程中采用这些现有的功能模块真是太浪费了。一个设计中一般只有极少部分的模块需要自己从零设计。（4）自己建立功能模块。当然，有些设计中现有的模块功能不能满足具体设计的要求，那就只能自己设计。可以用硬件描述语言也可以用原理图的输入方法。可以把它们独立地当作一个工程来设计，并生成模块符号(Symbol)。然后在顶层图中使用这个模块的符号，并将源文件（实现该模块的原理图或HDL文件）拷到顶层图所在的工程目录下。这个过程好比你要做一个电路，现在市面上没有你想要的某个芯片，你就只能自己做一块这样的一块芯片，然后添加到你的电路板上。（5）将顶层图的各个功能模块用连线连起来。这个过程类似电路图设计，把各个芯片连接起来，组成电路系统。（6）系统的功能原理图到此已经基本出炉了，下一步要为该设计选择芯片载体，才能在物理上实现系统的功能。这一步的主要工作是：选择芯片型号、为顶层图的各个输人输出信号分配芯片的管脚、设置编译选项，其目的是让编译器知道更多的信息。（7）编译。这个过程类似软件开发里的编译，但实际上这个编译过程比软件的编译要复杂得多，因为它毕竟最终要实现硬件里的物理结构，包涵了优化逻辑的组合、综合逻辑以及布线等步骤。在类似Q2这样的集成环境里这些过程都可以一气呵成，集成环境帮你目动完成了几个步骤。（8）编译后会生成*sof或*pof这样的文件，通过JTAG下载到FPGA内部，设计无误的话即能实现预期的结果。断电后，FPGA里的这些信息会丢失，后者可以下载到FPGA的配置芯片，掉电后这些配置信息不会丢失，重新上电以后通过该配置芯片对FPGA内部的RAM进行配置。简单的来讲就包括顶层文件设计（例化）、创建工程、全程编译、观察RTL电路仿真、了解时序分析结果、引脚锁定、再次编译下载，对FPGA的存储单元在系统读写测试、嵌入式逻辑分析仪测试波形3等。1.3 FPGA的设计优势采用FPGA实现硬线逻辑设计大尺寸文字显示屏控制器具有很多优点4。FPGA主要优点如下：（a）FPGA的用户现场可编程的特性大大缩短了设计实现周期，可以在很短的时间由设计工程师现场提供样机，使产品的上市时间大大缩短，适于现代的市场竞争需求。（b）FPGA可以提供比PLD和CPLD器件足够大的有效逻辑容量密度，不仅大大减少了印刷电路板的空间、降低了系统功耗，同时大大提高了系统设计的工艺可实现性和产品的可取性。（c）FPGA可以反复编程，重复使用，没有前期投资风险，且可以在开发系统中直接进行系统仿真，故也没有工艺实现的损耗。以致在小批量的产品应用场合，成本远低于门阵列和全定制ASIC。和单片机比较的优势：（a）一股单片机的逻辑操作是串行执行的，不能在同一时间完成多个操作，而FPGA逻辑可以实现并行的电路，电路内部不同的功能块可以同时运行。（b）一般单片机的速度比较慢，而FPGA逻辑的时钟可以做的很高，好的设计可以使系统的时钟预率超过100M。（c）单片机的引脚比较少，在显示屏的控制电路中需要用到很多引脚，而一般的单片机无法提供，只能用其它电路扩展引脚，这样就增加了电路的复杂性。FPGA的管脚比较多，完全能满足本设计的需要。（d）FPGA的设计非常灵活，通过对逻辑门的不同组合可以实现特定的功能，这一点单片机也是难以办到的。当然，单片机也有优点，在通信和一些逻辑操作中，使用单片机可以省时省力，而且单片机的成本低廉，充分发挥单片机的能力可以提高系统的性价比。（e）由于FPGA的门级网表是采用可综合的RTL级代码经过综合器生成，其逻辑可以很容易地通过综合器转化为某种ASIC工艺，所以当设计批量比较大时，可以考虑将FPGA整合为SOC，以降低系统的成本。正是如此，当今世界FPGA是半导体集成电路工业销售增长最快的部分，FPGA的应用正在产生飞跃。1.4 面向FPGA的EDA开发流程完整地了解利用EDA技术进行设计开发的流程对于正确的选择和使用EDA软件、优化设计项目、提高设计效率十分有益。一个完整的、典型的EDA设计流程既是自顶向下设计方法的具体实施途径，也是EDA工具软件本身的组成结构。图1-3是基于EDA软件的FPGA开发流程简略图，以下将分别介绍各设计模块的功能特点5。图1-3 FPGA开发流程简略图将电路系统以一定的表达方式输入计算机，是在EDA软件平台上对FPGA/CPLD开发的最初步骤。通常EDA工具的设计输入可分为两种类型。（1）图形输入图形输入法通常包括原理图输入、状态图输入和波形图输入等方法6。状态图输入方法就是根据电路的控制条件和不同的转换方式，用绘图的方法，在EDA工具的状态图编辑器上绘出状态图，然后由EDA编译器和综合器将此状态编译综合成电路网表。波形图输入方法是将待设计的电路看成是一个黑盒子7，只需告诉EDA工具该黑盒子电路的输入和输出时序波形图，EDA工具即能据此完成黑盒子电路的设计。原理图输入方法是一种类似于传统电子设计方法的原理图编辑输入方式，即在EDA软件的图形编辑界面上绘制能完成特定功能的电路原理图。原理图由逻辑器件和连接线构成，途中的逻辑器件可以是EDA软件库中预制的功能模块，如与门、非门、或门、触发器以及各种含74系列器件功能的宏功能模块，甚至还有一些类似于IP的功能块。用原理图表达的输入方法的优点是显而易见的，如设计者进行电子线路设计不需要增加新的诸如HDL等的相关知识。设计过程形象直观，适用于初学或教学演示。对于较小的电路模型，其结构与实际电路十分接近，设计者易于把握电路全局。由于设计方式接近于底层电路布局，因此易于控制逻辑资源的耗用，节省面积。然而，使用原理图输入的设计方法的缺点同样是十分明显的，如由于图形设计方式并没有得到标准化，不同的EDA软件中的图形处理工具对图形的设计规则、存档格式和图形编译方式都不同，因此图形文件兼容性差，难以交换和管理，随着电路设计规模的扩大，原理图输入描述方式必然引起一系列难以克服的困难，如电路功能原理的易读性下降，错误排查困难，整体调整和结构升级困难。显然，原理图的设计方法明显偏离了电子设计自动化最本质的涵义，在设计中由于需要直接面对硬件模块的选用，因此行为模型的建立将无从谈起，从而无法实现真实意义上的自顶向下的设计方案。（2）硬件描述语言文本输入这种方式与传统的计算机软件语言编辑输入基本一致，就是使用了某种硬件描述语言的电路设计文本，如VHDL或Verilog的源程序。可以说，应用HDL的文本输入方法克服了上述原理图输入法存在的所有弊端，为EDA技术的应用和发展打开了一个广阔的天地。2 LED 2.1 LED显示屏的发展LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的发光二极管组成，靠灯的亮灭来显示字符。用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。，通过红色，蓝色，白色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容。可以根据不同场合的需要做出不同的调节，比如一般的广告牌那些流动的字画，就是通过flash制作一个动画,储蓄在显示屏的一张内存卡里,再通过技术手法显示出来的,可以根据不同的需要随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，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显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示市场的主流产品之一，在信息显示领域得到了广泛的应用。它与传统的显示媒体-多彩霓虹灯、像素管电视墙、四色磁翻板相比较，有亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命低、显示内容多样、显示方式丰富等优势。现今其在控制系统方面电路结构不断改善，并向嵌入式大屏幕发展，使其稳定性和刷新频率不断提高，并且成本大大降低。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。（a）1990年以前LED显示屏的成长形成时期。一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开；另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，产品的成本比较高。（b）1990-1995年LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。这一阶段，LED显示屏在我国发展速度非常迅速，从初期的几家企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。（c）1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。LED显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。2.1.1 LED显示屏的国内发展现状（1）产业发展初具规模我国的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。LED显示屏是发光二极管的主要应用之一，近年来发展迅速。目前LED显示屏制作技术先进，售价低，国外公司很难在大陆占领竞争市场。中国的发展在世界LED产业中紧挨美国、日本，位居世界第三。五年来，每年平均增长达20%以上。一家正在投产的公司利用MOVPE技术，生产InGaAlP超亮度的发光材料和芯片；台湾有七家生产LED芯片的公司，生产各色传统芯片占世界产量的七成以上，主要厂商有光磊、鼎元、光宝、国联等，欧美、日本等著名光电公司也使用台湾芯片，台湾封装工厂有30余家，有10个是大公司，主要有光宝、亿光、今台等，这些厂商大多在大陆设厂，以扩大产量，降低成本，增加市场竞争能力。因此我国LED产业的整体实力雄厚，有望成为电子基础产品重要支柱产业。（2）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年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、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。（3）行业发展正在逐步规范1995年以前，LED显示屏的生产无行业规范。1996年原电子部委托蓝通公司制定LED显示屏通用规范，1998年1月正式作为电子行业标准发布实施，使LED显示屏产业标准化工作开始走向规范。1998年初，中国光协光电器件分会加强了LED显示屏行业的管理，在引导规范行业发展、开展光电器件与LED显示屏产品技术及检测标准交流协调等方面积极开展工作，目前正在就标准体系和具体标准的建立组织力量进行有关工作。随着产品标准体系的形成和系列标准的实施，LED显示屏产业在向健康有序的方向发展。（4）应用领域广泛主要应用的领域有：证券交易、金融信息显示，机场航班动态信息显示，港口、车站旅客引导信息显示，体育场馆信息显示，道路交通信息显示，调度指挥中心信息显示，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，广告媒体新产品等等。2.1.2 LED显示屏的发展趋势现代信息社会中，视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展。二十一世纪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，并有望成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。（1）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，已具备成熟性行业化条件。全彩色LED显示屏将是LED显示屏的重要发展方向。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡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。同事，由于全彩色显示屏性价比的优势，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的替代传统的灯箱、霓虹灯、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。（2）标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个新趋势。近几年内的发展，市场竞争力在传统产品条件下是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高要求，业内一些骨干企业已开始在企业实施ISO9000系列标准。（3）产品结构多样化信息化社会的形成，LED显示屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求，小型LED显示将会有较大提高。面向信息服务领域的LED显示屏产品的门类和品种体系将更加丰富。部分潜在的市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系列LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。（4）高性能、嵌入式现在市场上的多种LED显示屏在显示性能上良莠不齐，并且大多需要上位机对显示过程进行实时控制。那么利用嵌入式微机8的体积小，性价比高等优点，将整个系统都做在LED文字屏系统的铁盒中，使LED文字屏系统的稳定性提高，使屏体的位置更加的灵活，这样就解决了传统LED文字屏系统的控制室在某些场合难以解决的难题。所以在大屏的设计中将是一个明显的趋势。2.2 LED显示屏的结构及其示意图图2-1 LED显示屏组成框图如图2-1，LED显示屏由三部分组成：LED显示屏、控制模块、框架结构。LED显示屏：指由发光二极管组成的显示点阵。控制模块：指驱动LED显示屏发光的控制电路、控制显示屏显示的控制软件（包括控制器内及PC端通信及控制软件）和控制显示单元显示的外围通信及控制模块。框架结构：指支撑整个系统的基板或框架。另外，整个显示屏需要加以装饰方能投入使用。2.3 LED显示屏的种类及特性LED显示屏的常见有分类一下几种方法：（a）按显示颜色可分为：单基色（红色或绿色）双基色（红色、绿色）三基色（红色、绿色、蓝色）（b）按显示性能可分为：图文屏同步屏行情显示屏(包括证券屏、利率汇率屏、工厂看板、安全牌等)（c）按使用环境可分为:室内屏室外屏半户外屏LED显示屏的特性：LED发光二极管有很多优势，除了可以解决广色域问题之外，相对于CCFL冷阴极背光灯而言，LED发光二极管还拥有更多的优势。首先一点就是环保。在环保之外，LED背光源还非常节电，其功耗要比CCFL冷阴极背光灯更低一些。LED内部驱动电压远低于CCFL，功耗和安全性均好于CCFL(CCFL交流电压要求相对较高，启动时达到15001600Vac，然后稳定至700或800Vac，而LED只需要在1224Vdc或更低电压下就能工作)。另外，虽然CCFL的发光效率并不比LED逊色，但是由于CCFL是散射光，在发光过程中浪费了大量的光，这样一来，反而显得LED光的效率更高。此外，LED背光源的使用寿命要比CCFL长。一般来说，不同CCFL的额定使用寿命(半亮)在8000100000小时之间，而LED背光源则可以达到CCFL的两倍左右。当然，LED背光源的使用寿命还受到散热管理方面的影响。因此，LED显示屏的优点有：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。目前市场上流行的大型显示器件各式各样。LED显示屏具有其他显示屏所无法比拟的技术优越性：（）使用寿命长：发光二极管的使用寿命在10万小时以上（）响应速度快：这是半导体器件共有的特点（）可视距离远：LED的单点直径可达52mm，可视距离500米以上 （）规格品种多：LED显示屏有室内的、户外的，有单色的、双色、全彩色（）数字化程度高：全数字化，可实现高分辨率图形方式（）亮度高：可用于户外，如交通灯、防雾灯等。并且亮度可以调节。（）可视角度大：室内显示屏可达160度，户外的可达120度（）功耗低：每平方米最大功耗不超过800W3 LED电路显示原理3.1 LED点阵显示结构LED点阵显示模块是LED显示屏的基本组成单元，下面对LED点阵显示模块进行具体的分析。该设计LED点阵显示模块采用单色模块，其外形大小如下图所示：图31 LED点阵显示模块图中为一个单色的88点阵模块，而系统设计实际采用的是1616单色点阵显示模块。LED点阵显示模块的内部连线如3-2图所示：图32 LED点阵显示模块内部连线图如图所示，每一列的8个LED发光二极管的阳极接在一起，每一行的8个LED发光二极管的阴极接在一起，这样就可以由行和列的选择线控制每一个LED发光管的发光。图33 88LED点阵模块引脚图图3-3为88 LED点阵模块的引脚图，左边是平放着，从前向后看；右边的是平放着，从左向右看。由于在实际的操作中，具体的LED点阵显示模块的引脚并不是有规则地排列，而是根据内部连线，及相应的外部因素而排列，实际的显示模块的引脚排列参照具体的实物。3.2 LED点阵显示模块的显示原理LED点阵显示屏不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED管器件发光即可。通常是先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显示屏来说，每个LED发光器件占据数据位中的一位(1bit)，在需要该LED器件发光时数据中相应的位填1，否则填0。当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。这样依据所需显示的图形文字，按照显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。我们以中文宋体字库为例。每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。因而这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形字符。 图3-4 湖点阵图 图3-5 1616点阵图以显示汉字“湖”为例，来说明其扫描原理：在UCDOS中文宋体字库中。每一个字由16行16列的点阵组成显示。如果目前大多常用的MCU都采用8位数据存储与控制的多，我们在这里也采用8位字节为例。一个字需要拆分为2个部分，一般我们把它拆分为左部和右部，左部由86点阵组成，右部也由86点阵组成，如图3-5所示。在本例中首先显示的是左上角的第一行的左半部分，即第一行第一列到第八列。方向为p00到p07，显示汉字“湖”时，p00到p07点亮，由右往左排列，二进制为01000010B，转换为16进制为42H。左半部第一行完成后，继续扫描左半部的第二行，p10到p17点亮，为00100010B，即16进制22H。左半部的第二行，也为00100010B，即16进制22H。继续往下面的扫描，扫描完16行，然后转向右半部，为了接线的方便。我们仍设计成由右往左扫描。如图3-5所示。从上图可以看到，这一行全灭，即为00000000B，16进制则为00H。再往下扫描第二行。p22、p23、p24、p25点亮，为二进制00111100b，即16进制3CH。依照这个方法，继续扫描完右16行，一共扫描32个8位，可以得出汉字“湖”的扫描代码为：湖 CBAFEDB 042H,000H,022H,03CH,022H,024H,002H,024HDB 08FH,0BCH,052H,024H,012H,024H,02FH,0BCHDB 028H,0A4H,028H,0A4H,0C8H,0A4H,048H,0A4HDB 04FH,0C4H,040H,044H,040H,094H,041H,008H通过使用软件HZDotreader软件可以表示出很多字：如：感谢感 CB8D0DB 000H,050H,000H,048H,03FH,0FCH,020H,040HDB 03FH,048H,020H,048H,02FH,030H,029H,020HDB 04FH,032H,040H,04AH,080H,006H,009H,008HDB 028H,084H,028H,016H,067H,0F0H,000H,000H;谢 CD0BBDB 001H,008H,042H,008H,037H,088H,024H,088HDB 007H,0FEH,004H,088H,0E7H,0C8H,024H,0A8HDB 02FH,0A8H,021H,088H,022H,088H,02AH,088HDB 034H,088H,028H,088H,012H,0A8H,001H,010H本文件为1616点阵中文字库文件,字的横向8点构成一字节,左边点在字节的高位,字符点阵四角按左上角右上角左下角右下角取字。3.3 LED点阵屏的显示原理图文显示屏的点阵结构如图3-6所示。一块由M行N列组成的MN图文显示屏，其LED发光管的数量非常大，不宜使用静态显示驱动电路。扫描驱动电路一般采用多行（在1/16的扫描方式下，就是16行）的同名列共用一套列驱动器。当行驱动器选中第i行，列驱动器选中第j列时，对应的LED器件根据列驱动器的数据要求进行显示，这样控制电路有序地选通各行，在选通每一行之前还要把该行的列数据准备好。一旦该行选通，这一行线上的LED发光管器件就可以根据列数据进行显示。图36 MN行LED点阵图由于驱动及控制电路的速度是很快的，而且LED发光二极管也具有很高的响应速度，LED的显示就在人眼中造成视觉暂留现象，人看起来就好像是整个屏在显示一副完整的画面，而不是一行一行的小点在闪烁。3.4 显示系统扫描程序软件设计显示系统的程序设计不算很难，但是对速度要求很高。FPGA扫描每一行，同时将下一行的数据送过去，在扫描完32行的时候要进行循环扫描，以便于人眼能够看到字形 。就这样不停地送数据过去，不停地刷新显示屏，将要显示的数据刷新到显示屏上，参见图3-7。图3-7 显示系统程序流程图对整个屏幕采用整体扫描的方法，一行数据为128位，这样就需要每输出8个数据单元时，产生一个数据锁存信号，然后打开行扫描，使其中一行点亮，这里要注意显示数据与对应行的选通，只有这样才能得到信息的正确显示。当下一行数据灌满128列后，再产生锁存信号，就这样，在送完第一行的数据后，选通第一行，显示第一行的信息，紧接着送第二行的信号数据，选通第二行，显示第二行的信息，如此不断的循环9。扫描显示32行的所有信息后，要实现全屏字模的显示，就要继续再次扫描一定的次数，我们设定为100次，完了接着继续扫描下一屏，重复以上的操作，最后实现整屏全部字模显示的刷新。4 方案选择4.1 总体方案此设计一般有两种方案，一种是分布式控制，另一种以FPGA构造的高速扫描电路为系统核心，显示数据的提取、并串转换输出和扫描信号的产生由高速的FPGA扫描电路控制。把原本由CPU软件实现的操作用硬件完成。针对第二设计方案提出两种方法。第一种设计方法是采用外扩数据存储器，利用状态机进行数据读写控制，该设计在一个时钟周期就进行了一次读操作和一次写操作，使系统读写互不影响。图4-1为其硬件关系，图4-2为FPGA的内部电路和外部电路关系。图4-1 硬件关系图4-2 FPGA内部电路结构以及外部电路关系第二种设计方法也是以FPGA为核心的系统方案。它采用FPGA内设双口RAM10，很好的解决数据读写冲突问题，图4-3为系统原理框图，4-4为实际显示屏系统组成框图。图4-3 系统原理框图图4-4 显示屏系统组成框图两种方案的比较：第一种方法中采用单片机和FPGA的混合设计，单片机主要完成从上位机接收显示数据。FPGA完成画面的刷新和各种显示效果(例如各种刷屏，各种推屏和马赛克渐出渐入等)。系统采用一个外扩数据存储器，由于写数据和读数据的电路操作是同一块存储器，并且两部分的操作要求互不干扰。所以采用了如下的设计思路：将外部时钟五分频，前三个时钟用于写，后两个时钟用于读，并提供分频后的时钟供其它电路使用。这样对于该时钟而言，一个时钟周期就能完成一个读操作和一个写操作。但是电路需要三个接口，即数据输入，数据读出，显示接口，同时这种分时操作对FPGA的主频要求很高，当系统断电后，数据会丢失，每次的显示数据都需要PC机进行串口输入。第二种方法中高速的FPGA扫描模块电路实现了由软件实现的部分操作，使CPU的操作大大简化。FPGA的高频率工作特性，使它能高速的完成数据提取、并串转换和移位输出；还可以很好地实现扫描同步、扫描译码输出。其中FPGA内部双口RAM的运用，为不同总线间的数据通信提供了一个新的解决方案。ELPIC6的高度集成性使版面可以做的很小。可以看出第一种方法适合大屏显示，本设计是一个12832的室内显示屏，考虑到实验资源和成本问题，为完成系统硬件设计，采用第二种设计方法。由图，整个显示系统由信号处理电路、双口RAM、驱动单元、分频器四大块组成。软件设计包括三部分：上位机软件设计、单片机控制单元软件设计、FPGA驱动单元软件设计。本设计只给出FPGA驱动单元软件设计，其中包含了对双口RAM的配置与调用。(a)信号处理模块设计。微处理器MCU采用8位单片机AT89S51，它通过串口接收来自PC机的待显示数据。由于PC机串行总线标准RS232的逻辑电平与单片机电路使用的TTL电平不同，所以PC机与MCU11之间的通信数据必须经过RS232 电平转换芯片MAX232进行转换。从PC机接收到的数据存放在8K字节的电可擦写内存EEPROM28C64中，这样可方便地随时修改待显示的信息，并且在掉电情况下不至于丢失数据。由于系统软件要进行大批量的数据处理，所以扩充了单片机缓存区大小，采用了8K字节的外部静态RAM6264。（b）双口RAM的配置。由于数据显示是一种动态扫描方式，如果采用一个RAM区，当单片机写RAM时，FPGA只能处于等待状态，这样就会导致屏幕动态扫描停止。且屏幕数据是移位输出的，当扫描停止时，因为会有某一行的高电平保持较长的时间，该行就会一直保持较强的亮度，影响屏幕的显示效果。本系统中设计了2个同样大小的RAM 区：A区和B区，让单片机交替进行写操作。当单片机在写A区时，FPGA就去读B区的字模数据；当单片机写B区时，FPGA就去读A区的字模数据。这样就不会造成FPGA的停止扫描，保证了各行的点阵有相同的时间占空比，使屏幕点阵有同样亮度。单片机中的HL引脚可用于控制单片机的写区和FPGA的读区12。并且可以根据具体的程序设定LED显示屏的显示模式，显示内容和其他的参数及系统设置。双口RAM是两个数据模块间的数据信道，必须是共享的，它在本设计中起到了关键作用。可以看到当HL不改变时系统就可独立于MCU，成为一个小型的显示块。（c）FPGA的驱动单元是根据显示要求产生相应的读地址、实现数据的并串转换、对LED点阵按照一定的顺序进行列扫描的单元。屏幕的显示信息与相应的地址是一一对应的，对地址读取顺序的不同可产生不同的显示效果。它本身就包含了小模块的程序设计，其中有数据并串转换器、读地址产生器、地址计数器、扫描控制信号发生器。该电路模块产生读地址，列数据锁存信号，行扫描信号以及串行输出信号。在时钟控制信号作用下，从RAM中读出数据，通过内部驱动控制电路，产生行列信号输出，在显示屏幕上时实显示，通过循环扫描输出，在整体上看来就是一个具有一定特征的图像生成在LED屏上。（d）分频器的设计13是为了使全局只有一个外部时钟，这样简化了电路连接，节省了FPGA的外部管脚，节省了资源。使设计电路性能得以提高，使系统更加稳定，降低了生产成本。4.2 外围电路连接 由于大屏幕是单色点阵，主要用来显示文字信息，所以要求亮度高且均衡。本设计每行的占空比是l32，EP1C6的高频特性使刷新频率可以做的很高，使屏幕亮度得到保证。点阵的驱动电路分为行驱动和列驱动，列驱动采用串行数据传输方式，易于模块化。列驱动电路由74HC595组成，行驱动电路由FPGA的扫描模块输出QROWDATEOUT和与之配套的反相器7406、PNP达林顿功率三极管TIP127组成。行驱动器每行的行线连接到PNP三级管的集电极，间接连接到电源上。所以对于列数据是高电平有效，对于行驱动是低电平有效，显示屏采用共阴极的方式。驱动模块的行输出数据分别与显示屏的行驱动电路连接。列驱动采用74HC59514，显示屏有128列故需要16个74HC595，并将它们串行连接，也就是将前一个74HC595的数据移出引脚接到下一个74HC595的数据移人引脚上，而74HC595的脉冲信号和数据锁存信号都接同一个信号，就可以实现模块数据的显示，数据及控制信号从左边进人，从右边输出。74HC595是移位锁存芯片，其