基于FPGA的點(diǎn)陣LED顯示屏控制器的設(shè)計(jì)

LED屏幕在現(xiàn)代信息化的社會(huì)里應(yīng)用越來越廣泛，而它的靈魂是其內(nèi)部的控制器。傳統(tǒng)的LED控制器絕大部分是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的，這種控制器在控制單色或雙色點(diǎn)陣是足夠的，但是使用它來控制多彩色的LED屏和高分辨率的LED屏，是非常困難的。為解決這一問題，本文提出了一種基于FPGA的LED點(diǎn)陣屏的控制器設(shè)計(jì)。

1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

如今，FPGA技術(shù)正處于高速發(fā)展時(shí)期，芯片的集成度越來越高，處理速度也越來越快，但成本卻越來越低。低端的FPGA正在逐步的取代傳統(tǒng)的數(shù)字元件，而高端的FPGA也在不斷在與ASIC爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額。隨著科技的進(jìn)步和半導(dǎo)體制造工藝的不同改進(jìn)，F(xiàn)PGA的集成度將不斷提高，芯片的成本將不斷降低，F(xiàn)PGA的應(yīng)用前景將日趨光明。

傳統(tǒng)的LED屏控制器的電路設(shè)計(jì)通常是基于單片機(jī)的，單片機(jī)作為其主控制器，控制協(xié)調(diào)LED屏的整個(gè)顯示系統(tǒng)的顯示，這種控制器在控制單色或雙色點(diǎn)陣是綽綽有余的，但由于工作頻率的原因，若是使用基于單片機(jī)的控制器來驅(qū)動(dòng)高分辨率的LED屏或者是高灰度級(jí)的LED屏等，在這些對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求很高場(chǎng)合下，單片機(jī)的處理速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足其要求。

若是使用FPGA設(shè)計(jì)LED屏控制器則可以很好的解決上面的問題。如今最快的單片機(jī)的處理速度最快也就300MHZ左右，而FPGA的處理速度最快這可以達(dá)到上GHZ，所以在上面那些對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求很高的場(chǎng)合下，F(xiàn)PGA能很輕松的勝任。此外，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)的控制器除了解決傳統(tǒng)單片機(jī)在處理速度上的不足外，在傳輸上方面，它還可以通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸，最遠(yuǎn)的傳輸距離可達(dá)100米；在控制顯示方面，它可實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)的顯示。這使的該控制器在LED屏市場(chǎng)上有很大的優(yōu)勢(shì)以及實(shí)用性。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA的點(diǎn)陣LED顯示屏控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是引入FPGA，實(shí)現(xiàn)LED屏自動(dòng)掃描的功能，LED點(diǎn)陣顯示屏使用高亮度LED發(fā)光管構(gòu)成點(diǎn)陣，通過編程控制可以顯示中文、英文字符、圖形以及視頻信息。

該系統(tǒng)主要包含PC主機(jī)、FPGA控制、顯示驅(qū)動(dòng)、LED顯示屏等，如下圖1所示。


圖1系統(tǒng)總體框圖

由上圖可知，系統(tǒng)主要以FPGA控制模塊和LED點(diǎn)陣顯示屏為硬件平臺(tái)，利用PC主機(jī)將所要顯示的字符、圖形以及視頻信息傳輸給FPGA控制器，F(xiàn)PGA控制器將這些信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，再通過驅(qū)動(dòng)模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED屏顯示。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制器是最核心的部分。PFGA控制器系統(tǒng)正常工作的配置需包括FPGA主芯片、存儲(chǔ)器、程序下載接口、電源模塊、復(fù)位電路以及時(shí)鐘模塊等，如下圖2所示：


圖2 PFGA控制器系統(tǒng)圖

以上為保證FPGA控制器正常工作的最低配置要求，該系統(tǒng)還有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能，例如還可以給它擴(kuò)展VGA視頻接口進(jìn)而來控制點(diǎn)陣屏來顯示視頻信息；還可以為其擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口，從而可以通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸要顯示的信息，甚至還可以通過網(wǎng)絡(luò)來對(duì)FPGA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)在線編程等等。

3系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)控制字符、圖像及視頻信息在點(diǎn)陣屏上顯示。在主處理器上，沒有采用傳統(tǒng)的單片機(jī)，而采用FPGA器件，主要有以下原因：

第一、在處理速度上FPGA比傳統(tǒng)的單片機(jī)高很多。單片機(jī)是靠執(zhí)行指令來完成各種功能的。由于單片機(jī)執(zhí)行指令方式是排隊(duì)式串行，所以不論工作時(shí)鐘頻率多高或是指令時(shí)序多好，它的工作速度都不可能很高。而FPGA輸入引腳的電平和輸出引腳的初始電平是可預(yù)先設(shè)定的，在開機(jī)的一瞬間就能達(dá)到預(yù)定好了的電平，狀態(tài)很明確。各邏輯宏單元和邏輯塊的輸入信號(hào)也只需幾納秒到幾十納秒就能反映到輸出端，信號(hào)傳輸效率非常高，適合在高速采樣的場(chǎng)合中應(yīng)用，如可以用以處理視頻信號(hào)，使的LED屏顯示視頻信息等。

第二、可編程邏輯宏單元和邏輯塊是封裝在同一芯片內(nèi)，它們之間的相互連線屬于內(nèi)部走線，受外界干擾的影響非常小，電磁兼容性（EMC）很好。

第三、FPGA的另一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是：可現(xiàn)場(chǎng)編程。當(dāng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需要更新升級(jí)，而這升級(jí)過程中又涉及到內(nèi)部邏輯關(guān)系的改變時(shí)，使用FPGA設(shè)計(jì)的控制器則不需要更改原有的電路，而只需用圖形語(yǔ)言程序或硬件描述語(yǔ)言程序來改變電路，編譯綜合生產(chǎn)新的下載文件，下載到FPGA器件即可，非常方便，這大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本。

4結(jié)束語(yǔ)

近些年，F(xiàn)PGA的發(fā)展非常迅速，它的集成度越來越高，速度也越來越快，但價(jià)格卻越來越低，這將使得FPGA芯片更平民化，本設(shè)計(jì)的成本也將隨之降低。另外，在這個(gè)信息傳媒時(shí)代，LED顯示是個(gè)不可缺少的媒介，它的應(yīng)用非常廣泛。例如在各大城市里，我們經(jīng)常會(huì)看到很多高樓外墻上的巨大的視頻廣告顯示屏；春晚舞臺(tái)后面的巨大顯示屏以及很多街道上的店面門前的滾動(dòng)顯示促銷活動(dòng)的廣告顯示屏等等，這些都是用LED點(diǎn)陣制作的。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，LED大屏顯示器的成本將越來越低，隨著LED顯示器的推廣使用，LED大屏顯示控制器很有應(yīng)用前景。