基于Cyclone EP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系統(tǒng)設(shè)計-設(shè)計應用

精品文檔-下載后可編輯基于CycloneEP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系統(tǒng)設(shè)計-設(shè)計應用基于CycloneEP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系統(tǒng)設(shè)計

武漢科技大學信息科學與工程學院郝國法楊姣黃睿

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CycloneEP1C6的LED大屏幕解決方案。該設(shè)計方案無須外掛FLASHROM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。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(shè)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(shè)計，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

CycloneEP1C6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(shè)計中被設(shè)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(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)，每4個16×16的點陣塊為一個模塊，每行點陣由3個同樣的模塊級聯(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(jié)合設(shè)計對象的要求和大屏幕設(shè)計的特點，本文提出了一種新穎的設(shè)計方案。該方案的整體框圖如圖1所示。

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(shè)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(shè)置。接口所用芯片為MC3487和MC3486，RS－422在傳輸率為100kb/s時，可傳輸?shù)木嚯x為1200米，本系統(tǒng)的傳輸距離約為200米，傳輸速率為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(shè)計

該單元的設(shè)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。

該單元的設(shè)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2KBSRAM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FGGA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(shè)計需要，系統(tǒng)中還專門設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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，F(xiàn)PGA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，使屏幕點陣有同樣的亮度。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，考慮到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。

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[15..0]是輸出端口，其他均為輸入端口。與寫數(shù)據(jù)相關(guān)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(shè)計

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

上位機軟件設(shè)計

上位機的圖像/文字編輯與發(fā)送軟件由VisualBasic編寫，只須在界面中將屏幕大小設(shè)置為192×128，串口選擇COM1或COM2，波特率設(shè)置為9600，并設(shè)置每屏的起始地址和要發(fā)送的屏數(shù)，調(diào)入包含相關(guān)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?。該軟件適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(shè)計出豐富多彩的圖像。

單片機控制單元軟件設(shè)計

單片機控制單元的軟件設(shè)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(shè)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。

FPGA控制單元軟件設(shè)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(shè)計的，該單元的軟件設(shè)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。

結(jié)語

本文提出的基于CycloneEP1C6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(shè)計使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。實踐證明，本系統(tǒng)能以多種播放方式顯示各種字體和型號的文字和圖形信息,與同類設(shè)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。

參考文獻: