基于FPGA+MCU的大型LED顯示屏系統設計

傳統的大型LED顯示屏系統以單片機MCU、ARM 或PLD為核心控制芯片，以FPGA為核心的led顯示屏控制系統設計實(shí)現起來(lái)比較復雜，并且需要以高性能的FPGA芯片作為基礎，而以微處理器為核心的LED顯示屏控制系統不夠靈活，在改變LED屏幕顯示尺寸時(shí)，需要大幅修改系統設計，PLD雖在處理速度上有較大提高且能很好地控制多模塊顯示，但其在時(shí)序電路描述方面明顯不如FPGA。提出了基于FPGA與單片機MCU的大型LED顯示屏系統設計方案，該系統中FPGA為主控制單元，單片機為掃描控制單元，該方案簡(jiǎn)化電路，提高系統的靈活性和可靠性。實(shí)踐仿真結果表明：系統顯示內容較多，能較好地支持彩色顯示，降低了功耗，實(shí)現了現場(chǎng)實(shí)時(shí)控制顯示。

隨著(zhù)平板顯示技術(shù)的不斷更新，大型LED顯示系統利用發(fā)光二極管構成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成大面積顯示屏，主要顯示字符、圖像等信息，具有低功耗、低成本、高亮度、長(cháng)壽命、寬視角等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)廣泛應用在證券交易所、車(chē)站機場(chǎng)、體育場(chǎng)館、道路交通、廣告媒體等場(chǎng)所。

通常用單一單片機作為主控器件控制和協(xié)調大屏幕顯示。由多片單片機構成的多處理器系統，其中一片作為主CPU，其他作為子CPU共同控制大屏幕的顯示，該系統可以減輕主CPU 的負擔，提高了LED點(diǎn)陣的刷新頻率。但單片機的驅動(dòng)頻率有限，無(wú)法驅動(dòng)等分辨率LED屏幕，尤其是對于多灰度級彩色大屏幕，數據送到顯示屏之前要進(jìn)行灰度調制重現圖像的色彩，對數據的處理速度要求更高，單片機控制在速度上無(wú)法滿(mǎn)足上述要求。因此該方案主要應用于實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，主要進(jìn)行一些文字、圖片等靜態(tài)異步顯示的控制。視頻圖像信號頻率高、數據量大，要求實(shí)時(shí)處理，采用FPGA/CPLD設計控制電路，其中的同步控制、主從控制、讀寫(xiě)控制和灰度調制等大量電路進(jìn)行了集成，簡(jiǎn)化系統結構，便于調試且系統結構緊湊，工作可靠。與單片機控制電路相比，電路結構明顯簡(jiǎn)潔，電路的面積減小，可靠性增強，調試也更為簡(jiǎn)單，由于FPGA/CPLD可以并行處理多個(gè)進(jìn)程，比起單片機對任務(wù)的順序處理效率更高，點(diǎn)陣的刷新頻率也隨之提高。

對實(shí)時(shí)性要求較高、數據量較大的場(chǎng)合下，可編程邏輯器件是首選的核心數據處理器。本系統考慮對于傳輸視頻數據大小和驅動(dòng)LED大屏幕刷新頻率的要求，LED發(fā)送卡、接收卡均采用FPGA作為核心處理器，筆者選擇Xilinx公司基于90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256，內有25萬(wàn)邏輯門(mén)，最高頻率可以達到600MHz，完全可以滿(mǎn)足系統速度的要求在系統中作為掃描控制單元，同時(shí)以MCU芯片為主控制單元。采用該方案可以有效簡(jiǎn)化顯示屏的電路結構，從而提高了整個(gè)控制系統的靈活性和可靠性。

1 系統的組成和工作原理

該系統采用89C51單片機和SDRAM 組成控制中心，由基于Xilinx公司的FPGA的90nm工藝制造的XC3S250E-FTG256和RAM 組成掃描控制模塊，以FLASH作為存儲器模塊，采用以太網(wǎng)傳輸數據，組成LED屏的控制系統。系統結構如圖1所示。其工作原理為：主機通過(guò)TFTP協(xié)議將圖片傳輸給系統以太網(wǎng)接口模塊，以太網(wǎng)接口模塊解析協(xié)議，接收圖片數據，然后將數據傳輸給MCU，MCU 將接收到的數據寫(xiě)入存儲模塊NAND FLASH.在顯示時(shí)，MCU讀取FLASH 中的數據，通過(guò)SPI接口將數據傳輸給FPGA掃描控制模塊，經(jīng)掃描控制模塊處理后傳輸到LED屏幕上顯示。

圖1 基于FPGA和MCU的LED顯示屏控制系統框圖

2 硬件系統設計

2.1存儲器電路設計

本系統中需要用2片RAM 芯片作為緩存來(lái)存儲視頻數據，并以乒乓方式進(jìn)行快速讀寫(xiě)操作。目前主要有動(dòng)態(tài)存儲器（DRAM）和靜態(tài)存儲器（SRAM），SRAM 的讀寫(xiě)時(shí)間短，靜態(tài)功耗比較低，總線(xiàn)利用率高，它不需要刷新電路就能保存內部存儲的數據，但是它的集成度較低，相同的容量占用體積大，價(jià)格較高，主要用于性能要求較高的領(lǐng)域。

DRAM 只能將數據保持很短的時(shí)間，它使用電容存儲，必須經(jīng)常刷新電路來(lái)保存數據，它的讀寫(xiě)過(guò)程比較復雜，時(shí)間較長(cháng)，動(dòng)態(tài)功耗較大，總線(xiàn)利用率比較低。不過(guò)DRAM 的存儲容量大，價(jià)格便宜，被大量用在服務(wù)器和電腦中。由于DRAM 讀寫(xiě)過(guò)程比較復雜，本系統要求存儲器有快速的讀寫(xiě)響應，所以設計中選用SRAM 作為存儲器。本系統所用的LED屏大小為512×64，每個(gè)像素數據（RGB）占用24bit，則一場(chǎng)畫(huà)面的數據量為512×64×24=768kbits.本設計選用ISSI公司的IS61LV25616芯片來(lái)存儲視頻數據。SAA7111輸出16bit視頻信號，16位數據線(xiàn)正好方便存儲數據。它的容量為256×1 024×16bit，足夠存儲一場(chǎng)視頻數據，并有留有充足的容量供系統以后的升級。SRAM 的電路設計如圖2所示。

圖2 SRAM 電路