基于STM32的全彩LED顯示屏系統(tǒng)的設計方案

　　LED顯示屏是利用LED點陣模塊或像素單元組成的一種現(xiàn)代平面顯示屏幕，具有發(fā)光效率高、使用壽命長、視角范圍大、色彩豐富以及對室內外環(huán)境適應能力強等優(yōu)點。20世紀80年代后期，它在全世界迅速發(fā)展起來，并很快成為大屏幕平板顯示的代表性主流產品;近年來，隨著藍色LED產品價格的快速下降，全彩色LED顯示屏的價格逐步降低，市場需求急劇增長，應用日益普遍。目前的LED顯示屏控制系統(tǒng)多采用ARM處理器來完成整個系統(tǒng)的功能，這種控制系統(tǒng)在數(shù)據處理速度上存在很大的局限，影響顯示效果的連續(xù)性?；诖?，在分析了STM32微處理器總線結構特點的基礎上，提出了STM32+FPGA的控制系統(tǒng)方案，該方案充分了利用STM32微處理器的靈活的儲器控制技術和可編程邏輯器件的靈活性，提高了系統(tǒng)數(shù)據處理的速度，而且簡化了電路結構，方便調試。

　　1 系統(tǒng)總體方案設計

　　系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)結構框圖

　　系統(tǒng)采用新一代的32bitRISC處理器STM32作為主控芯片，通過以太網傳輸數(shù)據，以FLASH作為存儲模塊，由FPGA完成對LED顯示屏的高速掃描刷新。系統(tǒng)工作時，利用上位機編輯顯示信息，通過以太網接口將顯示信息傳輸給微處理器，微處理器接收數(shù)據信息后寫入FLASH存儲器。在顯示時，微處理器讀取FLASH中的數(shù)據，通過總線將數(shù)據以并行方式發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA處理后將數(shù)據傳輸?shù)絃ED顯示屏顯示。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)選用ST公司新推出的32位微處理器STM32F103ZET6作為主控芯片，STM32F103ZET6使用了先進架構的ARMCortex-M3內核，其靈活的靜態(tài)存儲器控制器使得它能很方便的和許多存儲器和外設連接，同時STM32片上外設豐富，可以簡化系統(tǒng)外圍電路的設計。

　　2.1 FLASH存儲器電路設計

　　FLASH采用的是三星公司的K9F1G16U0M，它是一種NAND型FLASH，存儲容量為64M16位，工作電壓3.3V，系統(tǒng)中STM32F103ZET6與K9F1G16U0M的連接如圖2所示。FLASH存儲器的IO0~IO7和FMSC數(shù)據總線的低8位相連，STM32處理器通過FSMC訪問存儲器;FLASH存儲器的片選信號nCE和FSMC的FSMC_NCE2相連接，這樣存儲器的地址空間為0x70000000~077FFFFFFFF;FLASH存儲器的R/nB連接至STM32處理器的FSMC_NWAIT管腳，處理器將R/nB作為一個中斷源使用，因此可以在存儲器的等待周期內執(zhí)行其他的任務。

　　圖2NANDFLASH與STM32F103ZET6連接圖

　　2.2 以太網接口電路設計

　　采用以太網接口代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串口，加快了數(shù)據傳輸?shù)乃俣?，同時可以實現(xiàn)遠程控制。由于STM32F103ZET6片內沒有集成以太網MAC和PHY功能，但其FSMC支持擴展以太網控制芯片，本系統(tǒng)在FSMC上擴展一片DAVICOM公司的DM9000A芯片對STM32F103ZET6進行以太網擴展，DM9000A與STM32F103ZET6的連接如圖3所示。

　　圖3 DM9000A與STM32F103ZET6連接圖

　　STM32F103ZET6通過FSMC訪問DM9000A，對于STM32F103ZET6來說，DM9000A就是一個靜態(tài)存儲器外設。DM9000A采用16位模式，數(shù)據線SD0~SD15直接與FMSC數(shù)據線低16位FSMC_D0~FSMC_D15相連;DM9000A片選信號線nCS連接至FSMC片選信號FSMC_NE4，這樣DM9000A端口地址為0x6c000000;DM9000A的中斷信號線INT可直接連接至STM32F103ZET6的IO口，在程序中激活處理器IO口的中斷復用功能，STM32以中斷方式接收網卡數(shù)據。

　　2.3 掃描驅動電路設計

　　掃描驅動電路是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)中它由一塊FPGA和雙體RAM組成，其結構如圖4所示，主要完成灰度數(shù)據讀取、上屏數(shù)據的產生與傳輸、移位和鎖存時鐘的產生、行選信號的產生、灰度控制信號的產生等功能。

　　圖4 掃描驅動電路結構圖

　　掃描驅動輸出信號的仿真波形如圖5所示，其中en是灰度控制信號，用來控制顯示時間，產生灰度效果;row_sel是行選信號，顯示時用于確定點亮哪一行;sck是移位時鐘，lck是鎖存時鐘，ds_red、ds_blue、ds_green是上屏紅、藍、綠數(shù)據的輸入端。仿真時紅、藍、綠顯示數(shù)據分別設定為01交錯、全1、全0?？梢钥吹?，在移位時鐘的作用下數(shù)據移位正確，移位完成后，lck變?yōu)楦唠娖?，將?shù)據鎖存輸出到LED屏上顯示。

　　圖5 輸出信號的仿真波形

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　整個系統(tǒng)的軟件包括3個部分：上位機應用軟件、微處理器控制軟件和FPGA控制軟件。3個部分協(xié)同工作，實現(xiàn)對LED顯示屏的控制。

　　3.1 上位機應用軟件

　　上位機應用軟件用于人機交互，是控制系統(tǒng)對用戶的接口，要求界面友好、操作簡單。軟件采用VisualC++編寫，完成的主要功能包括：圖像文字信息的編輯、圖像的解碼以及根據通信協(xié)議將數(shù)據發(fā)送給下位機。

　　3.2 微處理器控制軟件

　　微處理器在整個系統(tǒng)中起著核心調度的作用，它控制著系統(tǒng)各功能模塊的工作狀態(tài)，程序包括TCP/IP協(xié)議棧的移植、DM9000A網卡驅動程序等，完成的主要功能有：硬件初始化，上位機與下位機的以太網通信，顯示模式算法設計等。

　　3.3 FPGA控制軟件

　　FPGA控制軟件的設計是在QuartusII環(huán)境下完成的，采用硬件描述語言Verilog編寫。主要功能是根據微處理器的控制，對存儲器進行切換，實現(xiàn)乒乓操作;完成圖像數(shù)據的重構，把數(shù)據轉換為能直接用于LED掃描顯示的含有灰度信息的??0和??1組成的編碼系列，并根據顯示屏驅動芯片的時序，將編碼系列傳輸?shù)斤@示屏上顯示。

　　4 總結

　　本設計采用32位嵌入式微處理器STM32F103ZET6和可編程邏輯器件EP1C6Q240C8設計了全彩色LED顯示屏控制系統(tǒng)，并在實驗室驗證，實現(xiàn)了LED顯示屏的彩色顯示，圖6(a)為一幅實際圖像，圖6(b)是在顯示屏上的顯示效果。

　　圖6 圖像的灰度顯示

　　實驗結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，顯示畫面清晰、流暢。系統(tǒng)該系統(tǒng)能滿足異步全彩色LED顯示屏高處理速度，大容量數(shù)據存儲的要求，支持256灰度級全彩圖像、動畫的顯示，同時通過改變FPGA內部的硬件邏輯可方便地對系統(tǒng)進行升級，結構簡單、可靠性高，可替代市場上同類設計產品，應用前景廣泛。