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爭奪市場份額。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)動高分辨率的LED屏或者是高灰度級的LED屏等，在這些對數(shù)據(jù)的處理速度要求很高場合下，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，所以在上面那些對數(shù)據(jù)處理速度要求很高的場合下，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)灰度級的顯示。這使的該控制器在LED屏市場上有很大的優(yōu)勢以及實(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、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，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也只需幾納秒到幾十納秒就能反映到輸出端，信號傳輸效率非常高，適合在高速采樣的場合中應(yīng)用，如可以用以處理視頻信號，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)場編程。當(dāng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需要更新升級，而這升級過程中又涉及到內(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，而只需用圖形語言程序或硬件描述語言程序來改變電路，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

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)常會看到很多高樓外墻上的巨大的視頻廣告顯示屏；春晚舞臺后面的巨大顯示屏以及很多街道上的店面門前的滾動顯示促銷活動的廣告顯示屏等等，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。