基于FPGA的點陣LED顯示屏控制器的設計

LED屏幕在現代信息化的社會里應用越來越廣泛，而它的靈魂是其內部的控制器。傳統(tǒng)的LED控制器絕大部分是基于單片機設計的，這種控制器在控制單色或雙色點陣是足夠的，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點陣屏的控制器設計。

1國內研究現狀

如今，FPGA技術正處于高速發(fā)展時期，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。隨著科技的進步和半導體制造工藝的不同改進，FPGA的集成度將不斷提高，芯片的成本將不斷降低，FPGA的應用前景將日趨光明。

傳統(tǒng)的LED屏控制器的電路設計通常是基于單片機的，單片機作為其主控制器，控制協(xié)調LED屏的整個顯示系統(tǒng)的顯示，這種控制器在控制單色或雙色點陣是綽綽有余的，但由于工作頻率的原因，若是使用基于單片機的控制器來驅動高分辨率的LED屏或者是高灰度級的LED屏等，在這些對數據的處理速度要求很高場合下，單片機的處理速度是遠遠無法滿足其要求。

若是使用FPGA設計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到上GHZ，所以在上面那些對數據處理速度要求很高的場合下，FPGA能很輕松的勝任。此外，FPGA設計的控制器除了解決傳統(tǒng)單片機在處理速度上的不足外，在傳輸上方面，它還可以通過網絡來進行長距離數據傳輸，最遠的傳輸距離可達100米；在控制顯示方面，它可實現灰度級的顯示。這使的該控制器在LED屏市場上有很大的優(yōu)勢以及實用性。

2系統(tǒng)設計

基于FPGA的點陣LED顯示屏控制器系統(tǒng)的設計要求是引入FPGA，實現LED屏自動掃描的功能，LED點陣顯示屏使用高亮度LED發(fā)光管構成點陣，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、FPGA控制、顯示驅動、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點陣顯示屏為硬件平臺，利用PC主機將所要顯示的字符、圖形以及視頻信息傳輸給FPGA控制器，FPGA控制器將這些信息進行轉換后，再通過驅動模塊把數據傳輸到LED屏顯示。在本系統(tǒng)中，FPGA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、復位電路以及時鐘模塊等，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)還有很強的擴展功能，例如還可以給它擴展VGA視頻接口進而來控制點陣屏來顯示視頻信息；還可以為其擴展網絡接口，從而可以通過網絡來傳輸要顯示的信息，甚至還可以通過網絡來對FPGA進行網絡在線編程等等。

3系統(tǒng)創(chuàng)新點

本系統(tǒng)主要實現控制字符、圖像及視頻信息在點陣屏上顯示。在主處理器上，沒有采用傳統(tǒng)的單片機，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)的單片機高很多。單片機是靠執(zhí)行指令來完成各種功能的。由于單片機執(zhí)行指令方式是排隊式串行，所以不論工作時鐘頻率多高或是指令時序多好，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先設定的，在開機的一瞬間就能達到預定好了的電平，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，它們之間的相互連線屬于內部走線，受外界干擾的影響非常小，電磁兼容性（EMC）很好。

第三、FPGA的另一個最大的優(yōu)點是：可現場編程。當設計的產品需要更新升級，而這升級過程中又涉及到內部邏輯關系的改變時，使用FPGA設計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，這大大縮短了產品的開發(fā)周期和成本。

4結束語

近些年，FPGA的發(fā)展非常迅速，它的集成度越來越高，速度也越來越快，但價格卻越來越低，這將使得FPGA芯片更平民化，本設計的成本也將隨之降低。另外，在這個信息傳媒時代，LED顯示是個不可缺少的媒介，它的應用非常廣泛。例如在各大城市里，我們經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點陣制作的。隨著信息技術的不斷發(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用前景。