基于CycloneEP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前采用的LED大屏幕顯示系統(tǒng)的控制電路大多由單個(gè)或多個(gè)單片機(jī)及復(fù)雜的外圍電路組成，單片機(jī)編程比較復(fù)雜，整個(gè)電路的調(diào)試比較麻煩，可靠性和實(shí)時(shí)性難以得到保證。 針對這種情況，本文提出了一種基于SPCE061A和Cyclone EP1C6的LED大屏幕解決方案。該設(shè)計(jì)方案無須外掛FLASH ROM和RAM，無須任何外部功能電路，所有功能均由一片EP1C6和一片SPCE061A實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理速度快、可靠性高。

SPCE061A和Cyclone EP1C6簡介

SPCE061A是凌陽科技的一款16位微控制器，內(nèi)嵌32KB閃存和2KB字SRAM，CPU最高可工作在49MHz的主頻下，較高的處理速度使SPCE061A能夠非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)點(diǎn)陣大小為192×128的單色(紅色)顯示屏，且按要求連續(xù)顯示5屏數(shù)據(jù)，SPCE061A豐富的片內(nèi)資源正好滿足了如此大的數(shù)據(jù)處理和存儲要求。本文采用由UART中斷接收上位機(jī)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入32KB閃存中的方法，取代了傳統(tǒng)MCU+ROM+RAM的設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

Cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性價(jià)比FPGA。該器件提供的具有異步、雙端口、帶寄存器輸入口、可選擇的帶寄存器輸出口的存儲模塊-M4K在本設(shè)計(jì)中被設(shè)置成一個(gè)雙口RAM，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫同步，提高了系統(tǒng)的刷新頻率。

整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一塊具有192×128個(gè)紅色LED點(diǎn)陣的電子大屏幕。整塊大屏幕是模塊化的結(jié)構(gòu)，每4個(gè)16×16的點(diǎn)陣塊為一個(gè)最小模塊，每行點(diǎn)陣由3個(gè)同樣的最小模塊級聯(lián)而成，共8行。大屏幕上要求連續(xù)顯示5屏內(nèi)容，且每屏都具有上下左右移動等動畫效果。實(shí)際應(yīng)用中主控制室距離電子屏約為200米。結(jié)合設(shè)計(jì)對象的要求和大屏幕設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文提出了一種新穎的設(shè)計(jì)方案。該方案的整體框圖如圖1所示。

LED大屏幕系統(tǒng)由3個(gè)主要單元組成：上位機(jī)圖像/文字編輯與發(fā)送部分單元、主控板單元、顯示驅(qū)動電路單元。系統(tǒng)上位機(jī)由一臺PC機(jī)來控制，它主要編輯、發(fā)送圖像/文字信息到主控板的存儲器中;主控板對這些字模數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送到大屏幕，并在大屏幕上顯示出來。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

上位機(jī)發(fā)出的信息經(jīng)符合RS-422標(biāo)準(zhǔn)的接口通過雙絞線傳送到主控板上，通訊速率可在上位機(jī)軟件中設(shè)置。接口所用芯片為MC3487和MC3486，RS-422在傳輸率為100kb/s時(shí)，可傳輸?shù)淖畲缶嚯x為1200米，本系統(tǒng)的傳輸距離約為200米，傳輸速率最大為115kb/s，采用RS-422方式傳輸可滿足這一長距離通訊的要求。

主控板單元設(shè)計(jì)

該單元的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于數(shù)據(jù)流接收、存儲以及驅(qū)動掃描的單片集成，無須任何外圍電路。主控板由一片SPCE061A和EP1C6組成，如圖2所示。

該單元的設(shè)計(jì)思路是，由單片機(jī)的IOB7口以UART中斷的方式接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，這是由于大屏幕處于被動、循環(huán)往復(fù)的顯示狀態(tài)，采用異步傳輸能減少系統(tǒng)不斷查詢串口接收標(biāo)志位的系統(tǒng)消耗。單片機(jī)將接收的串口數(shù)據(jù)以兩個(gè)字節(jié)為單位逐一寫入內(nèi)置的閃存中。

單片機(jī)內(nèi)部的2KB SRAM作為緩存區(qū)，每當(dāng)單片機(jī)要向FPGA中寫一屏新的數(shù)據(jù)時(shí)，先按特定的地址從閃存中讀出數(shù)據(jù)并存放到SRAM中，再將SRAM中的數(shù)據(jù)并行寫到FGGA的雙口RAM中，單片機(jī)與FPGA的接口信號除了16根數(shù)據(jù)線外，還包括單片機(jī)向FPGA寫數(shù)據(jù)的地址、寫使能和寫時(shí)鐘。由于每屏點(diǎn)陣數(shù)為192×128，16位數(shù)據(jù)并行傳輸所需的地址線為11根。但由于設(shè)計(jì)需要，系統(tǒng)中還專門設(shè)置了1根額外的地址線，用于對FPGA的雙口RAM進(jìn)行讀寫分區(qū)，因此共使用了12根地址線。

FPGA在其內(nèi)部配置一個(gè)雙口RAM緩存單片機(jī)寫入的數(shù)據(jù)，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)按照大屏幕的結(jié)構(gòu)和掃描電路的特點(diǎn)選擇性地讀出，然后對數(shù)據(jù)由并轉(zhuǎn)串輸出到大屏幕的掃描驅(qū)動電路。由于大屏幕采用模塊化的隔行掃描方式，每行需要2根數(shù)據(jù)線進(jìn)行隔行傳輸，整塊大屏幕共需16根數(shù)據(jù)線。由于點(diǎn)陣的行列驅(qū)動均采用74LS595驅(qū)動，故FPGA還應(yīng)產(chǎn)生列掃描的點(diǎn)時(shí)鐘、鎖存信號和行掃描的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存信號。

雙口RAM的配置

由于數(shù)據(jù)顯示是一種動態(tài)掃描方式，如果采用一個(gè)RAM區(qū)，當(dāng)單片機(jī)寫RAM時(shí)，F(xiàn)PGA只能處于等待狀態(tài)，這樣就會導(dǎo)致屏幕動態(tài)掃描停止。由于屏幕數(shù)據(jù)是移位輸出的，當(dāng)掃描停止時(shí)，因?yàn)闀心骋恍械母唠娖奖３州^長的時(shí)間，該行就會一直保持較強(qiáng)的亮度，影響屏幕的顯示效果。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了2個(gè)同樣大小的RAM區(qū)：A區(qū)和B區(qū)，讓單片機(jī)交替進(jìn)行寫操作。當(dāng)單片機(jī)在寫A區(qū)時(shí)，F(xiàn)PGA就去讀B區(qū)的字模數(shù)據(jù);當(dāng)單片機(jī)寫B(tài)區(qū)時(shí)，F(xiàn)PGA就去讀A區(qū)的字模數(shù)據(jù)。這樣就不會造成FPGA的停止掃描，保證了各行的點(diǎn)陣有相同的時(shí)間占空比，使屏幕點(diǎn)陣有同樣的亮度。單片機(jī)中的HIGHADR引腳可用于控制單片機(jī)的寫區(qū)和FPGA的讀區(qū)。

由于每屏點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的大小為1536字，A區(qū)和B區(qū)的容量都至少要大于1536，那么整個(gè)的RAM區(qū)至少為1536×2字，考慮到EP1C6內(nèi)部集成了20塊容量為256字的M4K模塊，正好可以滿足本系統(tǒng)對RAM的需求。雙口RAM的配置如圖3所示。

其中wren是單片機(jī)往FPGA中寫入數(shù)據(jù)的寫使能信號，wraddress[11..0]是寫地址信號，wrclock是寫時(shí)鐘，data[15..0]是寫數(shù)據(jù)，rdaddress[11..0]是讀地址信號，rdclock是讀數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號，q[15..0]是讀出的數(shù)據(jù)。對于這個(gè)雙口RAM而言，只有q[15..0]是輸出端口，其他均為輸入端口。與寫數(shù)據(jù)相關(guān)的信號全部由單片機(jī)產(chǎn)生，讀數(shù)據(jù)的所有信號由FPGA產(chǎn)生。其中讀寫地址的最高位可實(shí)現(xiàn)RAM分區(qū)。

點(diǎn)陣驅(qū)動電路

本系統(tǒng)中LED的灰度等級是采用調(diào)制占空比的方法來實(shí)現(xiàn)的，由于大屏幕是單色點(diǎn)陣，主要用來顯示文字信息，所以要求亮度高且均衡。根據(jù)這一特點(diǎn)，采用了模塊化的隔8行掃描方式。每隔8行點(diǎn)陣同時(shí)進(jìn)行掃描，則每行的占空比是1/8，使屏幕亮度得到保證。

點(diǎn)陣的驅(qū)動電路分為行驅(qū)動和列驅(qū)動，列驅(qū)動采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，易于模塊化。列驅(qū)動電路由74LS595組成，行驅(qū)動電路由74LS595和與之配套的反相器7406、PNP達(dá)林頓功率三極管TIP127組成。所有作為行驅(qū)動74LS595的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號、數(shù)據(jù)鎖存信號、掃描數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存信號都在一起，所有作為列驅(qū)動74LS595的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號，數(shù)據(jù)鎖存信號、掃描數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存信號也是在一起的，這樣可以實(shí)現(xiàn)大屏幕的同步顯示。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由3部分組成：上位機(jī)圖像/文字編輯與發(fā)送軟件設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制單元軟件設(shè)計(jì)，以及FPGA控制單元軟件設(shè)計(jì)。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的圖像/文字編輯與發(fā)送軟件由Visual Basic編寫，只須在界面中將屏幕大小設(shè)置為192×128，串口選擇COM1或COM2，波特率設(shè)置為9600，并設(shè)置每屏的起始地址和要發(fā)送的屏數(shù)，調(diào)入包含相關(guān)信息的文件，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕即可，數(shù)據(jù)流經(jīng)符合RS-422標(biāo)準(zhǔn)的雙絞線傳輸?shù)街骺匕?。該軟件適用于任何大小的彩色/單色屏，提供了豐富的圖形/文字編輯、修改功能。也可以直接調(diào)用Windows中的16色畫圖文件(*.bmp)，從而可以利用Windows或基于Windows的各種作圖工具設(shè)計(jì)出豐富多彩的圖像。

單片機(jī)控制單元軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制單元的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)3大功能：串行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)輸出和圖像顯示方式變換。設(shè)計(jì)流程如圖4所示。串行數(shù)據(jù)接收部分主要是通過UART中斷接收并保存位圖文件。圖像顯示方式變換部分實(shí)現(xiàn)圖像的變換，如上移、下移、左移、右移等，以實(shí)現(xiàn)豐富多彩的圖像顯示效果。

FPGA控制單元軟件設(shè)計(jì)

FPGA控制單元是在QUARTUSⅡ環(huán)境下開發(fā)的，主要功能是配置雙口RAM、傳送數(shù)據(jù)和相應(yīng)的驅(qū)動信號，以實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的顯示。串行數(shù)據(jù)顯示是軟件設(shè)計(jì)的核心，該單元的軟件設(shè)計(jì)模塊如圖5所示。

雙端口RAM的配置完全由軟件實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA讀雙口RAM的A區(qū)還是B區(qū)是由單片機(jī)的HIGHADR引腳控制的。FPGA按照顯示驅(qū)動的要求讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，還要將這些數(shù)據(jù)由串轉(zhuǎn)并送至列驅(qū)動的74LS595上。掃描控制信號則在數(shù)據(jù)送到顯示驅(qū)動的過程中產(chǎn)生，用于實(shí)現(xiàn)行、列驅(qū)動。

結(jié)語

本文提出的基于Cyclone EP1C6和SPCE061A的LED大屏幕方案已應(yīng)用于現(xiàn)場。其基于FPGA的雙口RAM和掃描控制設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)能以多種播放方式顯示各種字體和型號的文字和圖形信息,與同類設(shè)計(jì)相比,畫面清晰，性能穩(wěn)定、操作使用簡單，具有很好的應(yīng)用前景。