基于Cyclone EP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系統設計

spce061a和cyclone ep1c6簡(jiǎn)介

spce061a是凌陽(yáng)科技的一款16位微控制器，內嵌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、快速地處理復雜的數字信號。本文設計的是一個(gè)點(diǎn)陣大小為192×128的單色（紅色）顯示屏，且按要求連續顯示5屏數據，spce061a豐富的片內資源正好滿(mǎn)足了如此大的數據處理和存儲要求。本文采用由uart中斷接收上位機數據并將數據寫(xiě)入32kb閃存中的方法，取代了傳統mcu＋rom＋ram的設計，增加了系統的穩定性。

cyclone ep1c6是altera推出的一款高性?xún)r(jià)比f(wàn)pga。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在本設計中被設置成一個(gè)雙口ram，實(shí)現數據的讀寫(xiě)同步，提高了系統的刷新頻率。

整體設計方案

本系統設計的是一塊具有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構，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。大屏幕上要求連續顯示5屏內容，且每屏都具有上下左右移動(dòng)等動(dòng)畫(huà)效果。實(shí)際應用中主控制室距離電子屏約為200米。結合設計對象的要求和大屏幕設計的特點(diǎn)，本文提出了一種新穎的設計方案。該方案的整體框圖如圖1所示。

led大屏幕系統由3個(gè)主要單元組成：上位機圖像/文字編輯與發(fā)送部分單元、主控板單元、顯示驅動(dòng)電路單元。系統上位機由一臺pc機來(lái)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據進(jìn)行處理后發(fā)送到大屏幕，并在大屏幕上顯示出來(lái)。

系統硬件設計

上位機發(fā)出的信息經(jīng)符合rs－422標準的接口通過(guò)雙絞線(xiàn)傳送到主控板上，通訊速率可在上位機軟件中設置。接口所用芯片為mc3487和mc3486，rs－422在傳輸率為100kb/s時(shí)，可傳輸的最大距離為1200米，本系統的傳輸距離約為200米，傳輸速率最大為115kb/s，采用rs－422方式傳輸可滿(mǎn)足這一長(cháng)距離通訊的要求。

主控板單元設計

該單元的設計特點(diǎn)在于數據流接收、存儲以及驅動(dòng)掃描的單片集成，無(wú)須任何外圍電路。主控板由一片spce061a和ep1c6組成，如圖2所示。

該單元的設計思路是，由單片機的iob7口以uart中斷的方式接收上位機發(fā)送的數據，這是由于大屏幕處于被動(dòng)、循環(huán)往復的顯示狀態(tài)，采用異步傳輸能減少系統不斷查詢(xún)串口接收標志位的系統消耗。單片機將接收的串口數據以?xún)蓚€(gè)字節為單位逐一寫(xiě)入內置的閃存中。單片機內部的2kb sram作為緩存區，每當單片機要向fpga中寫(xiě)一屏新的數據時(shí)，先按特定的地址從閃存中讀出數據并存放到sram中，再將sram中的數據并行寫(xiě)到fgga的雙口ram中，單片機與fpga的接口信號除了16根數據線(xiàn)外，還包括單片機向fpga寫(xiě)數據的地址、寫(xiě)使能和寫(xiě)時(shí)鐘。由于每屏點(diǎn)陣數為192×128，16位數據并行傳輸所需的地址線(xiàn)為11根。但由于設計需要，系統中還專(zhuān)門(mén)設置了1根額外的地址線(xiàn)，用于對fpga的雙口ram進(jìn)行讀寫(xiě)分區，因此共使用了12根地址線(xiàn)。

fpga在其內部配置一個(gè)雙口ram緩存單片機寫(xiě)入的數據，同時(shí)將這些數據按照大屏幕的結構和掃描電路的特點(diǎn)選擇性地讀出，然后對數據由并轉串輸出到大屏幕的掃描驅動(dòng)電路。由于大屏幕采用模塊化的隔行掃描方式，每行需要2根數據線(xiàn)進(jìn)行隔行傳輸，整塊大屏幕共需16根數據線(xiàn)。由于點(diǎn)陣的行列驅動(dòng)均采用74ls595驅動(dòng)，故fpga還應產(chǎn)生列掃描的點(diǎn)時(shí)鐘、鎖存信號和行掃描的數據、時(shí)鐘、鎖存信號。

雙口ram的配置

由于數據顯示是一種動(dòng)態(tài)掃描方式，如果采用一個(gè)ram區，當單片機寫(xiě)ram時(shí)，fpga只能處于等待狀態(tài)，這樣就會(huì )導致屏幕動(dòng)態(tài)掃描停止。由于屏幕數據是移位輸出的，當掃描停止時(shí)，因為會(huì )有某一行的高電平保持較長(cháng)的時(shí)間，該行就會(huì )一直保持較強的亮度，影響屏幕的顯示效果。本系統中設計了2個(gè)同樣大小的ram區：a區和b區，讓單片機交替進(jìn)行寫(xiě)操作。當單片機在寫(xiě)a區時(shí)，fpga就去讀b區的字模數據；當單片機寫(xiě)b區時(shí)，fpga就去讀a區的字模數據。這樣就不會(huì )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。單片機中的highadr引腳可用于控制單片機的寫(xiě)區和fpga的讀區。

由于每屏點(diǎn)陣數據的大小為1536字，a區和b區的容量都至少要大于1536，那么整個(gè)的ram區至少為1536×2字，考慮到ep1c6內部集成了20塊容量為256字的m4k模塊，正好可以滿(mǎn)足本系統對ram的需求。雙口ram的配置如圖3所示。

其中wren是單片機往fpga中寫(xiě)入數據的寫(xiě)使能信號，wraddress[11..0]是寫(xiě)地址信號，wrclock是寫(xiě)時(shí)鐘，data[15..0]是寫(xiě)數據，rdaddress[11..0]是讀地址信號，rdclock是讀數據的時(shí)鐘信號，q[15..0]是讀出的數據。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(xiě)數據相關(guān)的信號全部由單片機產(chǎn)生，讀數據的所有信號由fpga產(chǎn)生。其中讀寫(xiě)地址的最高位可實(shí)現ram分區。

點(diǎn)陣驅動(dòng)電路

本系統中led的灰度等級是采用調制占空比的方法來(lái)實(shí)現的，由于大屏幕是單色點(diǎn)陣，主要用來(lái)顯示文字信息，所以要求亮度高且均衡。根據這一特點(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)陣的驅動(dòng)電路分為行驅動(dòng)和列驅動(dòng)，列驅動(dòng)采用串行數據傳輸方式，易于模塊化。列驅動(dòng)電路由74ls595組成，行驅動(dòng)電路由74ls595和與之配套的反相器7406、pnp達林頓功率三極管tip127組成。所有作為行驅動(dòng)74ls595的數據時(shí)鐘信號、數據鎖存信號、掃描數據、時(shí)鐘、鎖存信號都在一起，所有作為列驅動(dòng)74ls595的數據時(shí)鐘信號，數據鎖存信號、掃描數據、時(shí)鐘、鎖存信號也是在一起的，這樣可以實(shí)現大屏幕的同步顯示。

軟件設計

系統的軟件設計由3部分組成：上位機圖像/文字編輯與發(fā)送軟件設計、單片機控制單元軟件設計，以及fpga控制單元軟件設計。

上位機軟件設計

上位機的圖像/文字編輯與發(fā)送軟件由visual basic編寫(xiě)，只須在界面中將屏幕大小設置為192×128，串口選擇com1或com2，波特率設置為9600，并設置每屏的起始地址和要發(fā)送的屏數，調入包含相關(guān)信息的文件，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕即可，數據流經(jīng)符合rs－422標準的雙絞線(xiàn)傳輸到主控板。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。也可以直接調用windows中的16色畫(huà)圖文件（*.bmp），從而可以利用windows或基于windows的各種作圖工具設計出豐富多彩的圖像。

單片機控制單元軟件設計

單片機控制單元的軟件設計主要實(shí)現3大功能：串行數據接收、數據輸出和圖像顯示方式變換。設計流程如圖4所示。串行數據接收部分主要是通過(guò)uart中斷接收并保存位圖文件。圖像顯示方式變換部分實(shí)現圖像的變換，如上移、下移、左移、右移等，以實(shí)現豐富多彩的圖像顯示效果。

fpga控制單元軟件設計

fpga控制單元是在quartusⅱ環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，主要功能是配置雙口ram、傳送數據和相應的驅動(dòng)信號，以實(shí)現串行數據的顯示。串行數據顯示是軟件設計的核心，該單元的軟件設計模塊如圖5所示。

雙端口ram的配置完全由軟件實(shí)現，fpga讀雙口ram的a區還是b區是由單片機的highadr引腳控制的。fpga按照顯示驅動(dòng)的要求讀出相應的數據后，還要將這些數據由串轉并送至列驅動(dòng)的74ls595上。掃描控制信號則在數據送到顯示驅動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生，用于實(shí)現行、列驅動(dòng)。

結語(yǔ)

本文提出的基于cyclone ep1c6和spce061a的led大屏幕方案已應用于現場(chǎng)。其基于fpga的雙口ram和掃描控制設計使得系統穩定可靠。實(shí)踐證明，本系統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(lèi)設計相比,畫(huà)面清晰，性能穩定、操作使用簡(jiǎn)單，具有很好的應用前景。