基于SOPC的旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能勝任各種場(chǎng)合實(shí)時(shí)性、多樣性、動(dòng)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(hào)，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(huì)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(chǎng)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(diǎn)。但是平板顯示屏的原理決定了顯示屏上的每一像素點(diǎn)均與單獨(dú)的LED一一對(duì)應(yīng)，這必然造成平板顯示系統(tǒng)造價(jià)過高顯示控制系統(tǒng)龐大的等缺點(diǎn)，而且由于幾何機(jī)構(gòu)的限制，決定了平板顯示屏的視場(chǎng)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(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)的一個(gè)新的方向，利用SOPC技術(shù)可以將多個(gè)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(jī)結(jié)合起來可以實(shí)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(shí)也有利于控制系統(tǒng)的功能升級(jí)和維護(hù)。

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(diǎn)亮狀態(tài)來實(shí)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(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 同時(shí)由控制電路對(duì)LED的點(diǎn)亮狀態(tài)進(jìn)行同步控制，使電機(jī)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(gè)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(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(jì)采用了三基色LED來實(shí)現(xiàn)彩色像素的顯示，為了能實(shí)現(xiàn)豐富多彩的顏色顯示，需要對(duì)LED的顏色灰度進(jìn)行控制。這主要有兩種即驅(qū)動(dòng)電流控制法和驅(qū)動(dòng)脈沖占空比控制法，但前一種方法實(shí)現(xiàn)難度較大成本較高，而后者原理簡(jiǎn)單，容易采用數(shù)字設(shè)計(jì)方法實(shí)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(shí)際上是控制LED點(diǎn)亮的時(shí)間。周期性地改變LED在一個(gè)周期內(nèi)的點(diǎn)亮?xí)r間的長(zhǎng)短，從而實(shí)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(diǎn)亮?xí)r間就可以實(shí)現(xiàn)LED亮度灰度等級(jí)的連續(xù)變化。對(duì)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(jì)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(duì)簡(jiǎn)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(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

1.旋轉(zhuǎn)屏控制控制電路的供電。在系統(tǒng)工作時(shí)，控制電路隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此給旋轉(zhuǎn)著的控制電路和LED提供一個(gè)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(shí)現(xiàn)柱面圖像顯示，這使得像數(shù)點(diǎn)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(shí)間要少許多，因此亮度也會(huì)大大減小。

要使設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)LED屏具有較好的顯示效果，需要在設(shè)計(jì)解決好這三個(gè)問題。對(duì)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(jiǎn)單而可靠的方法。本文的設(shè)計(jì)就是通過電刷提供一個(gè)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(diǎn)，在兩列像素點(diǎn)之間插入一個(gè)全黑時(shí)隙，這樣就可消除兩列圖像顯示點(diǎn)的粘滯感。而對(duì)于解決亮度顯示不足的問題，本文的設(shè)計(jì)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(gè)旋轉(zhuǎn)屏上的每個(gè)象素點(diǎn)，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(jì)

本文的設(shè)計(jì)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(jī)，控制電路，LED顯示陣列三部分組成。

電機(jī)的作用就是帶動(dòng)電路部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這個(gè)部分的關(guān)鍵就在于電機(jī)的轉(zhuǎn)速要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會(huì)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(jì)時(shí)，都是使用勻速的直流電機(jī)，或者是步進(jìn)電機(jī)。

LED整列是旋轉(zhuǎn)屏的顯示主體，為了實(shí)現(xiàn)較好的顯示效果，本文的設(shè)計(jì)采用了三基色的LED燈，通過電路的控制LED的顏色灰度等級(jí)，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(jì)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(chǔ)在RAM內(nèi)圖像或符號(hào)，在旋轉(zhuǎn)位置感應(yīng)信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的核心。

四、旋轉(zhuǎn)LED控制電路的SOPC設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)采用Altera公司的CycloneⅡ系列中EP2C20Q204C8作為FPGA為平臺(tái)，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(dòng)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(jì)的旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)電路主要由以下一個(gè)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。

FPGA及其配置電路，F(xiàn)PGA電路整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)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(dòng)控制電路，主要由LED的驅(qū)動(dòng)芯片及相關(guān)器件組成。LED驅(qū)動(dòng)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(chǔ)電路，包括SDRAM和CF卡。SDRAM作為Nios II處理器的程序運(yùn)行空間，而大容量的CF卡則用于存儲(chǔ)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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)LED顯示內(nèi)容的切換紅外遙控。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路(RTC)，由外接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片組成，實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)鐘的功能。

4.2 LED驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shí)，可以同步更新顯示內(nèi)容數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)LED屏有四個(gè)顯示LED列陣，整個(gè)顯示柱面分為四個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)占1/4個(gè)柱面。為了實(shí)現(xiàn)四個(gè)區(qū)的同步掃描，需要有四個(gè)獨(dú)立的雙口RAM,其位寬為24bit,剛好可以存儲(chǔ)一個(gè)像素?cái)?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(gè)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(hào)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(shí)現(xiàn)的，灰度控制子模塊主要由計(jì)數(shù)器和比較器組成，計(jì)數(shù)器在灰度時(shí)鐘GRY_CLK上升沿計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值>=0并小于比較器的值時(shí)，灰度控制輸出信號(hào)GRY為高，否者為低，該信號(hào)送往驅(qū)動(dòng)芯片74HC595的使能端EN用于控制LED燈的點(diǎn)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(shí)隙。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)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(dòng)都是由Nios處理器來實(shí)現(xiàn)控制調(diào)度的。對(duì)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(jì)要求，將基于Nios軟核的SOPC技術(shù)引入到設(shè)計(jì)中來，實(shí)現(xiàn)了基于SOPC的彩色旋轉(zhuǎn)LED屏的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)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(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)的一個(gè)新方向。