基于FPGA+MCU的大型LED显示屏系统设计

　　通常用单一单片机作为主控器件控制和协调大屏幕显示。由多片单片机构成的多处理器系统，其中一片作为主CPU,其他作为子CPU共同控制大屏幕的显示，该系统可以减轻主CPU 的负担，提高了LED点阵的刷新频率。但单片机的驱动频率有限，无法驱动等分辨率LED屏幕，尤其是对于多灰度级彩色大屏幕，数据送到显示屏之前要进行灰度调制重现图像的色彩，对数据的处理速度要求更高，单片机控制在速度上无法满足上述要求。因此该方案主要应用于实时性要求不高的场合，主要进行一些文字、图片等静态异步显示的控制。视频图像信号频率高、数据量大，要求实时处理，采用FPGA/CPLD设计控制电路，其中的同步控制、主从控制、读写控制和灰度调制等大量电路进行了集成，简化系统结构，便于调试且系统结构紧凑，工作可靠。与单片机控制电路相比，电路结构明显简洁，电路的面积减小，可靠性增强，调试也更为简单，由于FPGA/CPLD可以并行处理多个进程，比起单片机对任务的顺序处理效率更高，点阵的刷新频率也随之提高。

　　对实时性要求较高、数据量较大的场合下，可编程逻辑器件是首选的核心数据处理器。本系统考虑对于传输视频数据大小和驱动LED大屏幕刷新频率的要求，LED发送卡、接收卡均采用FPGA作为核心处理器，笔者选择Xilinx公司基于90nm工艺制造的XC3S250E-FTG256,内有25万逻辑门，最高频率可以达到600MHz,完全可以满足系统速度的要求在系统中作为扫描控制单元，同时以MCU芯片为主控制单元。采用该方案可以有效简化显示屏的电路结构，从而提高了整个控制系统的灵活性和可靠性。

　　1 系统的组成和工作原理

　　该系统采用89C51单片机和SDRAM 组成控制中心，由基于Xilinx公司的FPGA的90nm工艺制造的XC3S250E-FTG256和RAM 组成扫描控制模块，以FLASH作为存储器模块，采用以太网传输数据，组成LED屏的控制系统。系统结构如图1所示。其工作原理为：主机通过TFTP协议将图片传输给系统以太网接口模块，以太网接口模块解析协议，接收图片数据，然后将数据传输给MCU,MCU 将接收到的数据写入存储模块NAND FLASH.在显示时，MCU读取FLASH 中的数据，通过SPI接口将数据传输给FPGA扫描控制模块，经扫描控制模块处理后传输到LED屏幕上显示。

图1 基于FPGA和MCU的LED显示屏控制系统框图

　　2 硬件系统设计

　　2.1存储器电路设计

　　本系统中需要用2片RAM 芯片作为缓存来存储视频数据，并以乒乓方式进行快速读写操作。目前主要有动态存储器（DRAM）和静态存储器（SRAM），SRAM 的读写时间短，静态功耗比较低，总线利用率高，它不需要刷新电路就能保存内部存储的数据，但是它的集成度较低，相同的容量占用体积大，价格较高，主要用于性能要求较高的领域。

　　DRAM 只能将数据保持很短的时间，它使用电容存储，必须经常刷新电路来保存数据，它的读写过程比较复杂，时间较长，动态功耗较大，总线利用率比较低。不过DRAM 的存储容量大，价格便宜，被大量用在服务器和电脑中。由于DRAM 读写过程比较复杂，本系统要求存储器有快速的读写响应，所以设计中选用SRAM 作为存储器。本系统所用的LED屏大小为512×64,每个像素数据（RGB）占用24bit,则一场画面的数据量为512×64×24=768kbits.本设计选用ISSI公司的IS61LV25616芯片来存储视频数据。SAA7111输出16bit视频信号，16位数据线正好方便存储数据。它的容量为256×1 024×16bit,足够存储一场视频数据，并有留有充足的容量供系统以后的升级。SRAM 的电路设计如图2所示。

图2 SRAM 电路[page]

2.2 FPGA的硬件设计

　　FPGA的硬件设计如图3所示。FPGA 需要提供大量的I/O引脚和高速的显示控制信号，所选用的基于Xilinx公司的FPGA 的90nm 工艺制造的XC3S250E-FTG256可以满足设计的要求。

图3 FPGA的硬件结构

　　2.3驱动电路

　　FPGA采用的电压是3.3V,而LED屏体显示电路的电压是5V的TTL逻辑电平，因此需要进行电平转换的电路。这个电路由74HC245构成，工作电压为5V,74HC245采用CMOS工艺，是一种三态输出、8组总线收发器，其输入电平兼容3.3V系统，使用外接的5V电源将输出电平提升到5V,同时为各种控制和数据信号提供驱动能力。74HC245的电路如图4所示。其中：OE为输出控制引脚，低电平为有效；DIR引脚用于控制转换方向，接高电平时表示从A向B转换，A0~A7用于输入数据信号，B0~B7用于输出转换后的数据信号。

图4 74HC245驱动电路

　　2.4显示板的驱动电路

　　LED显示板的面积很大，它的正面由LED 显示块级联而成，背面是驱动电路。由于LED的驱动电流相对较大，驱动电路应尽量和LED点阵模块靠近。因此行列驱动器一般都安装在屏体的背面。LED显示板的驱动电路中采用了74HC595芯片，是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，具有8位串入并出的移位、并行锁存和三态输出功能。移位寄存器和锁存器使用独立的时钟，数据SDATA 在SCLK的上升沿输入移位寄存器，在LT的上升沿进入的锁存器中去。当使能信号OE为低电平时，锁存器的数据输出到LED.74HC595芯片可以解决数据显示和数据串行传输在时间上的冲突问题，在显示1行各列数据的同时，可以准备下1列的LED数据。以1/16行扫描为例，LED显示板的驱动电路如图5所示。

　　CLK是移位寄存器时钟，每个脉冲将引起1位数据移入74HC595中，当1行的数据全部移完后，锁存信号LT控制数据从74HC595的寄存器移入锁存器。A、B、C、D是行扫描信号，其中A是最低位，通过4/16译码器控制LED屏的行扫描。OE是消影信号，它可以选择控制行信号或列信号，用于LED点阵是否能被点亮和控制整屏的亮度。如果OE控制列信号，它接74HC595芯片的OE端，因为只有当OE为低电平时74HC595的输出才有效，否则输出三态。如果OE控制行信号，它接到4/16译码器的使能端，低电平时行扫描不起作用。

图5 LED显示板的驱动电路[page]

　　3 系统软件设计

　　整个系统的软件包括2部分：上位机应用软件和嵌入制单元软件。上位机软件编辑在LED显示屏上显示的数息，并实现与下位机的通信；嵌入式控制单元软件实现了接收和存储、数据输出和图像显示方式变换，从而实现LED屏的控制。

　　3.1上位机应用软件

　　上位机应用软件用Visual C++编写，主要实现显示的编辑与通讯的功能。该软件运行于WindowsXP环境中，方便用户使用。完成的功能有：（1）对显示信息进行编辑、修改功能，也可以直接调用Windows中的256色画图文件（*.bmp）；（2）在上位机上对显示的内容进行预览，以保证有较好的显示效果；（3）依照上位机与I2C接口模块的协议，将信息传输给系统以I2C接口模块，从而实现显示数据的更新。

　　3.2嵌入式控制单元的软件

　　嵌入式控制单元的软件实现以下3大功能：数据接收和存储、数据输出和图像显示方式变换。（1）依照显示屏与上位机之间的通讯协议，与上位机进行通讯，接收显示数据，存入Flash存储器。（2）将待显示的数据从Flash存储器中取出，对数据进行处理，实现上移、下移、左移、右移等丰富多彩的图像显示效果。（3）通过SPI接口将数据传输给扫描控制模块，FPGA通过串并转换等将数据转换成适合LED屏驱动电路格式的数据，然后传到LED屏幕上显示出来，仿真如图6,7所示。

图6 软件模拟显示效果

图7 LED显示屏实际显示效果

　　4 结语

　　与传统的基于单片机的LED屏控制系统相比较，该系统在不增加系统成本的情况下，可支持256灰度级的全彩图文信息的显示，可以播放全彩动画；可存储较大容量的数据（64MB）；通过I2C接口快速传输数据，为显示区域较大、显示内容切换频繁的大屏幕LED显示控制系统提供良好的解决方案。

参考文献:

[1]. 89C51 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/89C51_105386.html.
[2]. IS61LV25616 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/409218.html.
[3]. SAA7111 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/SAA7111_596088.html.
[4]. TTL datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[5]. 74HC245 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/74HC245_1811615.html.
[6]. 74HC595 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/74HC595_1133522.html.
[7]. 1/16 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/1%2f16_2510134.html.