基于FPGA+MCU的大型LED顯示屏系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的大型LED顯示屏系統(tǒng)以單片機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)計實現(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，需要大幅修改系統(tǒng)設(shè)計，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，但其在時序電路描述方面明顯不如FPGA。提出了基于FPGA與單片機MCU的大型LED顯示屏系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)中FPGA為主控制單元，單片機為掃描控制單元，該方案簡化電路，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。實踐仿真結(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，實現(xiàn)了現(xiàn)場實時控制顯示。

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、長壽命、寬視角等優(yōu)點。近年來廣泛應(yīng)用在證券交易所、車站機場、體育場館、道路交通、廣告媒體等場所。

通常用單一單片機作為主控器件控制和協(xié)調(diào)大屏幕顯示。由多片單片機構(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 的負擔(dān)，提高了LED點陣的刷新頻率。但單片機的驅(qū)動頻率有限，無法驅(qū)動等分辨率LED屏幕，尤其是對于多灰度級彩色大屏幕，數(shù)據(jù)送到顯示屏之前要進行灰度調(diào)制重現(xiàn)圖像的色彩，對數(shù)據(jù)的處理速度要求更高，單片機控制在速度上無法滿足上述要求。因此該方案主要應(yīng)用于實時性要求不高的場合，主要進行一些文字、圖片等靜態(tài)異步顯示的控制。視頻圖像信號頻率高、數(shù)據(jù)量大，要求實時處理，采用FPGA/CPLD設(shè)計控制電路，其中的同步控制、主從控制、讀寫控制和灰度調(diào)制等大量電路進行了集成，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。與單片機控制電路相比，電路結(jié)構(gòu)明顯簡潔，電路的面積減小，可靠性增強，調(diào)試也更為簡單，由于FPGA/CPLD可以并行處理多個進程，比起單片機對任務(wù)的順序處理效率更高，點陣的刷新頻率也隨之提高。

對實時性要求較高、數(shù)據(jù)量較大的場合下，可編程邏輯器件是首選的核心數(shù)據(jù)處理器。本系統(tǒng)考慮對于傳輸視頻數(shù)據(jù)大小和驅(qū)動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，同時以MCU芯片為主控制單元。采用該方案可以有效簡化顯示屏的電路結(jié)構(gòu)，從而提高了整個控制系統(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，接收圖片數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU 將接收到的數(shù)據(jù)寫入存儲模塊NAND FLASH.在顯示時，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

2.1存儲器電路設(shè)計

本系統(tǒng)中需要用2片RAM 芯片作為緩存來存儲視頻數(shù)據(jù)，并以乒乓方式進行快速讀寫操作。目前主要有動態(tài)存儲器（DRAM）和靜態(tài)存儲器（SRAM），SRAM 的讀寫時間短，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)保持很短的時間，它使用電容存儲，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，時間較長，動態(tài)功耗較大，總線利用率比較低。不過DRAM 的存儲容量大，價格便宜，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)要求存儲器有快速的讀寫響應(yīng)，所以設(shè)計中選用SRAM 作為存儲器。本系統(tǒng)所用的LED屏大小為512×64，每個像素數(shù)據(jù)（RGB）占用24bit，則一場畫面的數(shù)據(jù)量為512×64×24=768kbits.本設(shè)計選用ISSI公司的IS61LV25616芯片來存儲視頻數(shù)據(jù)。SAA7111輸出16bit視頻信號，16位數(shù)據(jù)線正好方便存儲數(shù)據(jù)。它的容量為256×1 024×16bit，足夠存儲一場視頻數(shù)據(jù)，并有留有充足的容量供系統(tǒng)以后的升級。SRAM 的電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 SRAM 電路