基于STM32的全彩LED顯示屏系統的設計

LED顯示屏作為一種新的顯示器件，近年來(lái)得到了廣泛的應用。隨著(zhù)技術(shù)的不斷更新，LED顯示屏正朝著(zhù)全彩化的方向發(fā)展。設計了一種LED顯示屏控制系統，該系統以ARMCortex-M3內核芯片STM32F103ZET6作為控制中心，以可編程邏輯器件EP1C6完成數據的刷新，通過(guò)以太網(wǎng)通信。系統可支持256級灰度全彩LED顯示屏的圖像、動(dòng)畫(huà)的顯示，同時(shí)能夠方便地進(jìn)行遠程控制。

　　LED顯示屏是利用LED點(diǎn)陣模塊或像素單元組成的一種現代平面顯示屏幕，具有發(fā)光效率高、使用壽命長(cháng)、視角范圍大、色彩豐富以及對室內外環(huán)境適應能力強等優(yōu)點(diǎn)。20世紀80年代后期，它在全世界迅速發(fā)展起來(lái)，并很快成為大屏幕平板顯示的代表性主流產(chǎn)品；近年來(lái)，隨著(zhù)藍色LED產(chǎn)品價(jià)格的快速下降，全彩色LED顯示屏的價(jià)格逐步降低，市場(chǎng)需求急劇增長(cháng)，應用日益普遍。目前的LED顯示屏控制系統多采用ARM處理器來(lái)完成整個(gè)系統的功能，這種控制系統在數據處理速度上存在很大的局限，影響顯示效果的連續性?；诖?，在分析了STM32微處理器總線(xiàn)結構特點(diǎn)的基礎上，提出了STM32+FPGA的控制系統方案，該方案充分了利用STM32微處理器的靈活的儲器控制技術(shù)和可編程邏輯器件的靈活性，提高了系統數據處理的速度，而且簡(jiǎn)化了電路結構，方便調試。

　　1 、系統總體方案設計

　　系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

　　系統采用新一代的32bitRISC處理器STM32作為主控芯片，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數據，以FLASH作為存儲模塊，由FPGA完成對LED顯示屏的高速掃描刷新。系統工作時(shí)，利用上位機編輯顯示信息，通過(guò)以太網(wǎng)接口將顯示信息傳輸給微處理器，微處理器接收數據信息后寫(xiě)入FLASH存儲器。在顯示時(shí)，微處理器讀取FLASH中的數據，通過(guò)總線(xiàn)將數據以并行方式發(fā)送給FPGA,FPGA處理后將數據傳輸到LED顯示屏顯示。

　　2 、系統硬件設計

　　本系統選用ST公司新推出的32位微處理器STM32F103ZET6作為主控芯片，STM32F103ZET6使用了先進(jìn)架構的ARMCortex-M3內核，其靈活的靜態(tài)存儲器控制器使得它能很方便的和許多存儲器和外設連接，同時(shí)STM32片上外設豐富，可以簡(jiǎn)化系統外圍電路的設計。

　　2.1 FLASH存儲器電路設計

　　FLASH采用的是三星公司的K9F1G16U0M,它是一種NAND型FLASH,存儲容量為64M16位，工作電壓3.3V,系統中STM32F103ZET6與K9F1G16U0M的連接如圖2所示。FLASH存儲器的IO0~IO7和FMSC數據總線(xiàn)的低8位相連，STM32處理器通過(guò)FSMC訪(fǎng)問(wèn)存儲器；FLASH存儲器的片選信號nCE和FSMC的FSMC_NCE2相連接，這樣存儲器的地址空間為0x70000000~077FFFFFFFF;FLASH存儲器的R/nB連接至STM32處理器的FSMC_NWAIT管腳，處理器將R/nB作為一個(gè)中斷源使用，因此可以在存儲器的等待周期內執行其他的任務(wù)。

圖2　NANDFLASH與STM32F103ZET6連接圖

　　2.2 以太網(wǎng)接口電路設計

　　采用以太網(wǎng)接口代替傳統的串口，加快了數據傳輸的速度，同時(shí)可以實(shí)現遠程控制。由于STM32F103ZET6片內沒(méi)有集成以太網(wǎng)MAC和PHY功能，但其FSMC支持擴展以太網(wǎng)控制芯片，本系統在FSMC上擴展一片DAVICOM公司的DM9000A芯片對STM32F103ZET6進(jìn)行以太網(wǎng)擴展，DM9000A與STM32F103ZET6的連接如圖3所示。

圖3 DM9000A與STM32F103ZET6連接圖

　　STM32F103ZET6通過(guò)FSMC訪(fǎng)問(wèn)DM9000A,對于STM32F103ZET6來(lái)說(shuō)，DM9000A就是一個(gè)靜態(tài)存儲器外設。DM9000A采用16位模式，數據線(xiàn)SD0~SD15直接與FMSC數據線(xiàn)低16位FSMC_D0~FSMC_D15相連；DM9000A片選信號線(xiàn)nCS連接至FSMC片選信號FSMC_NE4,這樣DM9000A端口地址為0x6c000000;DM9000A的中斷信號線(xiàn)INT可直接連接至STM32F103ZET6的IO口，在程序中激活處理器IO口的中斷復用功能，STM32以中斷方式接收網(wǎng)卡數據。

　　2.3 掃描驅動(dòng)電路設計

　　掃描驅動(dòng)電路是整個(gè)控制系統的重要組成部分，系統中它由一塊FPGA和雙體RAM組成，其結構如圖4所示，主要完成灰度數據讀取、上屏數據的產(chǎn)生與傳輸、移位和鎖存時(shí)鐘的產(chǎn)生、行選信號的產(chǎn)生、灰度控制信號的產(chǎn)生等功能。

圖4 掃描驅動(dòng)電路結構圖

　　掃描驅動(dòng)輸出信號的仿真波形如圖5所示，其中en是灰度控制信號，用來(lái)控制顯示時(shí)間，產(chǎn)生灰度效果；row_sel是行選信號，顯示時(shí)用于確定點(diǎn)亮哪一行；sck是移位時(shí)鐘，lck是鎖存時(shí)鐘，ds_red、ds_blue、ds_green是上屏紅、藍、綠數據的輸入端。仿真時(shí)紅、藍、綠顯示數據分別設定為01交錯、全1、全0?？梢钥吹?，在移位時(shí)鐘的作用下數據移位正確，移位完成后，lck變?yōu)楦唠娖?，將數據鎖存輸出到LED屏上顯示。

圖5 輸出信號的仿真波形

　　3 、系統軟件設計

　　整個(gè)系統的軟件包括3個(gè)部分：上位機應用軟件、微處理器控制軟件和FPGA控制軟件。3個(gè)部分協(xié)同工作，實(shí)現對LED顯示屏的控制。

　　3.1 上位機應用軟件

　　上位機應用軟件用于人機交互，是控制系統對用戶(hù)的接口，要求界面友好、操作簡(jiǎn)單。軟件采用VisualC++編寫(xiě)，完成的主要功能包括：圖像文字信息的編輯、圖像的解碼以及根據通信協(xié)議將數據發(fā)送給下位機。

　　3.2 微處理器控制軟件

　　微處理器在整個(gè)系統中起著(zhù)核心調度的作用，它控制著(zhù)系統各功能模塊的工作狀態(tài)，程序包括TCP/IP協(xié)議棧的移植、DM9000A網(wǎng)卡驅動(dòng)程序等，完成的主要功能有：硬件初始化，上位機與下位機的以太網(wǎng)通信，顯示模式算法設計等。

　　3.3 FPGA控制軟件

　　FPGA控制軟件的設計是在QuartusII環(huán)境下完成的，采用硬件描述語(yǔ)言Verilog編寫(xiě)。主要功能是根據微處理器的控制，對存儲器進(jìn)行切換，實(shí)現乒乓操作；完成圖像數據的重構，把數據轉換為能直接用于LED掃描顯示的含有灰度信息的0和1組成的編碼系列，并根據顯示屏驅動(dòng)芯片的時(shí)序，將編碼系列傳輸到顯示屏上顯示。

　　4 、總結

　　本設計采用32位嵌入式微處理器STM32F103ZET6和可編程邏輯器件EP1C6Q240C8設計了全彩色LED顯示屏控制系統，并在實(shí)驗室驗證，實(shí)現了LED顯示屏的彩色顯示，圖6（a）為一幅實(shí)際圖像，圖6（b）是在顯示屏上的顯示效果。

圖6 圖像的灰度顯示

　　實(shí)驗結果表明，系統運行穩定，顯示畫(huà)面清晰、流暢。系統該系統能滿(mǎn)足異步全彩色LED顯示屏高處理速度，大容量數據存儲的要求，支持256灰度級全彩圖像、動(dòng)畫(huà)的顯示，同時(shí)通過(guò)改變FPGA內部的硬件邏輯可方便地對系統進(jìn)行升級，結構簡(jiǎn)單、可靠性高，可替代市場(chǎng)上同類(lèi)設計產(chǎn)品，應用前景廣泛。