基于SOPC的旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)設(shè)計方案

一、引言

LED(1ight emitting diode)顯示屏由發(fā)光二極管陣列構(gòu)成。發(fā)光二極管(LED)是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應(yīng)速度快、驅(qū)動簡單、壽命長等優(yōu)點，能勝任各種場合實時性、多樣性、動態(tài)性的信息發(fā)布任務(wù)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。LED大屏幕是通過一定的控制方式，用于顯示文字、圖像行情等各種信息以及電視、錄像信號，并由LED器件陣列組成的顯示屏幕。LED大屏幕作為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體，正受到社會各界尤其是商業(yè)界、廣告界的極大重視，被廣泛應(yīng)用于上業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、電子景觀等。

目前市場上的LED屏基本上均為平板LED屏，這種屏具有顯示穩(wěn)定，顯示內(nèi)容易修改的優(yōu)點。但是平板顯示屏的原理決定了顯示屏上的每一像素點均與單獨的LED一一對應(yīng)，這必然造成平板顯示系統(tǒng)造價過高顯示控制系統(tǒng)龐大的等缺點，而且由于幾何機構(gòu)的限制，決定了平板顯示屏的視場較小。而新型的旋轉(zhuǎn)柱式LED屏可以克服平板LED屏的上述不足-它以機械轉(zhuǎn)動掃描方式代替逐行掃描，使用的LED數(shù)量大大減少，這使成本大大減低，而且可是屏幕范圍達(dá)到了360°。

SOPC是嵌入式設(shè)計的一個新的方向，利用SOPC技術(shù)可以將多個功能模塊集成到一塊可編程芯片上構(gòu)成可編程芯片上。將SOPC技術(shù)和旋轉(zhuǎn)LED控制有機結(jié)合起來可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，功能穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)LED控制系統(tǒng)，同時也有利于控制系統(tǒng)的功能升級和維護。

二、旋轉(zhuǎn)LED屏基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LED陣列旋轉(zhuǎn)顯示

旋轉(zhuǎn)LED顯示屏是一種通過同步控制發(fā)光二極管(LED)位置和點亮狀態(tài)來實現(xiàn)圖文顯示的新型顯示屏，因其結(jié)構(gòu)新穎，成本低廉，可視范圍達(dá)360°而得到了迅速的發(fā)展，其核心技術(shù)在于精確控制LED位置與發(fā)光狀態(tài)的同步。旋轉(zhuǎn)LED屏的顯示器件只有一列，并且這一列LED由轉(zhuǎn)速恒定的LED帶動進行旋轉(zhuǎn)， 同時由控制電路對LED的點亮狀態(tài)進行同步控制，使電機每轉(zhuǎn)過一定角度，這一列LED的顯示內(nèi)容就改變一次，在旋轉(zhuǎn)到任何一個位置都有唯一確定的顯示內(nèi)容，也就是說旋轉(zhuǎn)LED屏是采用逐列顯示的，并且采用了機械轉(zhuǎn)動來替代替代掃描顯示，下圖中a,b,c,d是旋轉(zhuǎn)LED屏在不同時刻的顯示狀態(tài)，d是人眼視覺看到的完整的畫面"3"。

2.2 三基色LED的顏色灰度控制

本設(shè)計采用了三基色LED來實現(xiàn)彩色像素的顯示，為了能實現(xiàn)豐富多彩的顏色顯示，需要對LED的顏色灰度進行控制。這主要有兩種即驅(qū)動電流控制法和驅(qū)動脈沖占空比控制法，但前一種方法實現(xiàn)難度較大成本較高，而后者原理簡單，容易采用數(shù)字設(shè)計方法實現(xiàn)，因此本文的LED灰度控制采用了占空比控制法。

占空比控制法控制LED的亮度實際上是控制LED點亮的時間。周期性地改變LED在一個周期內(nèi)的點亮?xí)r間的長短，從而實現(xiàn)LED的亮度變化。在工作狀態(tài)下連續(xù)地改變LED在循環(huán)周期中的點亮?xí)r間就可以實現(xiàn)LED亮度灰度等級的連續(xù)變化。對于256色顯示，只需要采用8bit色度數(shù)據(jù)來控制LED的灰度，列數(shù)據(jù)位與占空比關(guān)系如下圖2所示：

2.3 旋轉(zhuǎn)LED屏設(shè)計的關(guān)鍵

旋轉(zhuǎn)LED屏的原理并不復(fù)雜，其硬件結(jié)構(gòu)也相對簡單，但是要使旋轉(zhuǎn)LED屏能夠穩(wěn)定的顯示設(shè)定的圖像或文字，需要克服三個技術(shù)難點：

1.旋轉(zhuǎn)屏控制控制電路的供電。在系統(tǒng)工作時，控制電路隨著電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，因此給旋轉(zhuǎn)著的控制電路和LED提供一個穩(wěn)定的供電電源具有一定的難度。

2.旋轉(zhuǎn)屏橫向顯示拖影問題。由于旋轉(zhuǎn)屏采用了單列LED旋轉(zhuǎn)掃描實現(xiàn)柱面圖像顯示，這使得像數(shù)點顯示在橫向上出現(xiàn)了粘滯，形成拖影現(xiàn)象。

3.解決顯示亮度不足，由于旋轉(zhuǎn)LED屏的工作原理決定了相比于普通的平面LED屏，顯示每一列的時間要少許多，因此亮度也會大大減小。

要使設(shè)計的旋轉(zhuǎn)LED屏具有較好的顯示效果，需要在設(shè)計解決好這三個問題。對于旋轉(zhuǎn)LED屏的供電來說，采用固定在底座的電刷片和旋轉(zhuǎn)的金屬導(dǎo)軌或者金屬輪軸接觸的方式給系統(tǒng)供電，是比較簡單而可靠的方法。本文的設(shè)計就是通過電刷提供一個恒定的12V直流電壓，再由DC-DC芯片轉(zhuǎn)換成2.5V、3.3V、5V等電壓來維持控制系統(tǒng)工作。解決旋轉(zhuǎn)屏的橫向拖影，主要是根據(jù)旋轉(zhuǎn)掃描的特點，在兩列像素點之間插入一個全黑時隙，這樣就可消除兩列圖像顯示點的粘滯感。而對于解決亮度顯示不足的問題，本文的設(shè)計在不繼續(xù)加大LED燈亮度的情況下，采用的是用四列LED燈來輪流顯示每個旋轉(zhuǎn)屏上的每個象素點，這樣亮度在旋轉(zhuǎn)速率不變的情況下就變?yōu)樵瓉淼乃谋丁?/p>

三、總體方案系統(tǒng)設(shè)計

本文的設(shè)計是以FPGA為核心，利用霍爾傳感器，紅外遙控以及三基色LED顯示陣列搭建的柱式旋轉(zhuǎn)LED屏系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由電機，控制電路，LED顯示陣列三部分組成。

電機的作用就是帶動電路部分進行旋轉(zhuǎn)，這個部分的關(guān)鍵就在于電機的轉(zhuǎn)速要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會被局部伸展或者壓縮。為了使LED轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，一般在設(shè)計時，都是使用勻速的直流電機，或者是步進電機。

LED整列是旋轉(zhuǎn)屏的顯示主體，為了實現(xiàn)較好的顯示效果，本文的設(shè)計采用了三基色的LED燈，通過電路的控制LED的顏色灰度等級，LED屏可以顯示出復(fù)雜多變的色彩，雖然這樣在控制電路的設(shè)計上更為復(fù)雜，但是具有更好的顯示效果。

LED顯示控制電路的作用是將存儲在RAM內(nèi)圖像或符號，在旋轉(zhuǎn)位置感應(yīng)信號的同步下，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的位置按列掃描顯示在LED陣列上。這部分是整個系統(tǒng)的核心。

四、旋轉(zhuǎn)LED控制電路的SOPC設(shè)計

本設(shè)計硬件平臺采用Altera公司的CycloneⅡ系列中EP2C20Q204C8作為FPGA為平臺，通過使用Quartus II軟件搭建的采用Nios軟核處理、DMA、SDRAM控制器等外圍模塊以及自定義的LED驅(qū)動控制模塊等搭建了旋轉(zhuǎn)LED屏的控制系統(tǒng)。

4.1控制電路的結(jié)構(gòu)

作為旋轉(zhuǎn)LED屏的核心部分，本文所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)電路主要由以下一個部分組成，如圖3所示。

電源供電模塊，主要功能是為旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)以及LED顯示陣列提供連續(xù)穩(wěn)定的電源。

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FPGA及其配置電路，F(xiàn)PGA電路整個控制系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)Nios II處理器及相關(guān)功能模塊的載體。

彩色LED陣列驅(qū)動控制電路，主要由LED的驅(qū)動芯片及相關(guān)器件組成。LED驅(qū)動芯片在控制器的控制下按照相應(yīng)的順序、顏色和亮度顯示圖形文字內(nèi)容。

外圍存儲電路，包括SDRAM和CF卡。SDRAM作為Nios II處理器的程序運行空間，而大容量的CF卡則用于存儲LED屏要顯示的圖像或者文字內(nèi)容。

旋轉(zhuǎn)位置感應(yīng)電路，由一片集成的霍爾感應(yīng)器件及相關(guān)器件組成，用于感應(yīng)LED屏旋轉(zhuǎn)的位置，使得輸出內(nèi)容與旋轉(zhuǎn)位置相對應(yīng)。

無線控制電路，由紅外(irDA)接收芯片和手持式紅外遙控器組成，主要實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)LED顯示內(nèi)容的切換紅外遙控。

實時時鐘電路(RTC)，由外接實時時鐘芯片組成，實現(xiàn)顯示時鐘的功能。

4.2 LED驅(qū)動控制模塊設(shè)計

LED驅(qū)動控制模塊是旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)的最重要部分，主要分為Avalon接口子模塊，雙口RAM子模塊，串行移位輸出子模塊，輸出同步子模塊，灰度控制子模塊等組成，其結(jié)構(gòu)圖如下圖4所示。

在設(shè)計中，雙口RAM子模塊可以使系統(tǒng)可以在輸出顯示圖像的同時，可以同步更新顯示內(nèi)容數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)LED屏有四個顯示LED列陣，整個顯示柱面分為四個區(qū)，每個區(qū)占1/4個柱面。為了實現(xiàn)四個區(qū)的同步掃描，需要有四個獨立的雙口RAM,其位寬為24bit,剛好可以存儲一個像素數(shù)據(jù)，使R、G、B各占8bit,以滿足256顯示的需要。雙口RAM使用QuartusII 軟件內(nèi)嵌的MegaCore生成，每個RAM的大小為768x24bit.

串行移位輸出子模塊和輸出同步控制子模塊是用于將并行的圖像數(shù)據(jù)從RAM中取出，并在霍爾感應(yīng)器輸入的位置信號的同步控制下把數(shù)據(jù)串行化輸出的。圖像灰度控制的方法是采用前文提到的占空比控制法來實現(xiàn)的，灰度控制子模塊主要由計數(shù)器和比較器組成，計數(shù)器在灰度時鐘GRY_CLK上升沿計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值>=0并小于比較器的值時，灰度控制輸出信號GRY為高，否者為低，該信號送往驅(qū)動芯片74HC595的使能端EN用于控制LED燈的點亮?xí)r間，可控制色彩灰度和在兩列圖像顯示列中增加黑的時隙。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個旋轉(zhuǎn)LED屏的控制電路的控制核心是Nios處理器，圖像數(shù)據(jù)的讀取，旋轉(zhuǎn)位置的感應(yīng)，以及LED的顯示驅(qū)動都是由Nios處理器來實現(xiàn)控制調(diào)度的。對于Nios軟核處理器來說，其軟件開發(fā)是在SOPC Builder下的Nios IDE集成開發(fā)環(huán)境下完成的。Nios處理器軟件的流程結(jié)構(gòu)如下圖5所示：

六、總結(jié)

旋轉(zhuǎn)LED屏作為一種新型的LED顯示屏以其成本低，可視范圍大等獨特優(yōu)點，也越來越受到人們的重視。本文根據(jù)旋轉(zhuǎn)LED屏的工作原理以及設(shè)計要求，將基于Nios軟核的SOPC技術(shù)引入到設(shè)計中來，實現(xiàn)了基于SOPC的彩色旋轉(zhuǎn)LED屏的設(shè)計。該設(shè)計把微處理器和用戶邏輯接口都集成在一塊FPGA芯片上，其接口可以靈活地被編程人員定義，用戶能根據(jù)顯示屏的大小靈活調(diào)整硬件邏輯設(shè)計以實現(xiàn)對屏的控制，而不需要改變其原有硬件構(gòu)成，因此具有很大的靈活性，是旋轉(zhuǎn)LED屏控制電路設(shè)計的一個新方向。

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