基于cyclone EP1C6 的LED大屏設計方案
編輯：藍天 [ 2009-7-16 18:18:10 ] 文章來源：LED大屏網
摘 要：介紹了一種基于FPGA的LED大屏設計方案，采用自頂向下的設計思想，設計了基于FPGA的雙口RAM和掃描控制電路，解決了傳統LED大屏設計中，控制系統復雜﹑可靠性差的問題。
關鍵詞：單片機，FPGA， ,雙口RAM
目前采用的顯示系統的控制電路，大多由單個或多個CPU及復雜的外圍電路組成，這種電路設計，單片機編程比較復雜，整個電路的調試比較麻煩，可靠性和實時性很難得到保證。針對這種情況，介紹一種基于cyclone EP1C6的設計方案,該設計方案無須外掛FLASH ROM和RAM，無須任何外部功能電路，所有功能均由一片cyclone EP1C6和一片單片機SPCE061A來實現，具有數據處理速度快、可靠性高的特點。其中FPGA內部雙口RAM的運用，為不同總線間的數據通信提供了一個新的解決方案。
1 系統結構及功能概述
設計對象是一塊具有192×128個紅色LED點陣的電子屏。整塊電子屏是模塊化的結構，每4個16×16的點陣塊為一個單元，共3×8個這樣的單元。屏上要求連續顯示5屏內容，且每屏具有上下左右移動等動畫效果，實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，系統結構框圖如圖1所示。 圖1 系統框圖
LED大屏設計系統由三個主要單元組成：上位機圖象/文字編輯與發送部分單元、主控板單元、LED電子屏。系統上位機由一臺PC機來控制，主要是編輯、發送圖象/文字信息到主控板，而主控板對這些數據進行處理后發送到大屏幕上顯示出來。
2 系統硬件設計
系統硬件設計主要是對主控板的設計，主控板的主要功能包括：數據通訊、數據存儲、數據處理、掃描控制等。傳統LED大屏設計由作為數據存儲器的FLASH ROM和數據處理緩存器的RAM、CPU和可編程邏輯器件FPGA/CPLD、作為數據掃描緩沖區的RAM組成，其結構如圖2所示。 圖2 傳統LED大屏設計主控板結構圖
傳統主控板硬件設計需要較多的外圍器件（有的設計中還不止一個CPU和CPLD），不僅硬件結構和連線復雜，而且設計成本較高。此外，由于數據量很大，各個分立存儲器之間、單片機與FPGA/CPLD之前數據實時可靠的傳輸也是一個問題。為解決這些問題，主控板硬件電路的設計選用一片凌陽單片機SPCE061A和一片FPGA cyclone EP1C6，其結構框圖如圖3所示。 圖3 基于cyclone EP1C6的主控板結構圖
2.1 cyclone EP1C6和SPCE061A簡介
cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性價比FPGA，工作電壓3.3V，內核電壓1.5V。采用0.13μm工藝技術，全銅SRAM工藝，其密度為5980個邏輯單元，包含20個128×36位的RAM塊（M4K模塊），總的RAM空間達到92160位。內嵌2個鎖相環電路和一個用于連接SDRAM的特定雙數據率接口，工作頻率高達200MHz[3]。
SPCE061A是凌陽科技推出的一款16位微控制器，內嵌32K字FLASH和2K字SRAM，并集成了ICE仿真電路接口﹑通用I/O端口﹑定時器/計數器﹑中斷控制﹑CPU時鐘﹑模數轉換器A/D﹑DAC輸出﹑通用異步串行輸入輸出接口、串行輸入輸出接口﹑低電壓檢測/低電壓復位﹑看門狗等功能。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[1]。
2.2主控板結構及功能
主控板結構如圖3所示，上位機發送的數據通過雙絞傳送到RS422接收模塊[2]，經轉換后送至單片機，由單片機的IOB7口以UART中斷的方式接收上位機發送的數據。單片機將接收的串口數據以兩個字節為單位逐一寫入內置的FLASH中。單片機內部的2K字SRAM在此作為一個緩存區，每次單片機要向FPGA中寫一屏新的數據時，先按特定的地址從FLASH中讀出數據并存放到SRAM中，再將SRAM的數據并行寫到FPGA的雙口RAM中。
FPGA在其內部配置一個雙口RAM緩存單片機寫入的數據，同時將這些數據按照大屏的結構和掃描電路的特點，從雙口RAM中有選擇性地讀出，并將讀出的數據由并轉串，按照一定的時序對大屏點陣進行、列掃描，這個時序也是由FPGA產生的。掃描數據和時序控制信號從FPGA的I/O口輸出后，經過一個由74LS245構成的隔離驅動電路送至大屏幕。
2.3基于FPGA的雙口RAM的配置
基于FPGA的雙口RAM的配置是本設計的獨特之處。RAM作為中介將單片機送來的數據在LED電子屏上顯示出來，由于數據顯示是一種動態掃描方式，若采用一個RAM 區，單片機在寫RAM 時，FPGA只能處于等待狀態，FPGA讀RAM時，單片機寫數據也無法同時進行，導致屏幕刷新頻率降低，動態掃描不連續，影響屏幕的顯示效果。因此設計了兩個同樣大小的RAM 區：A區和B區。當單片機寫A區時， FPGA讀B區的數據，單片機寫B區時，FPGA讀A區的數據。此外，由于FPGA掃描模塊可以達到很高的掃描速率，而單片機的運行速率則相對較低，且兩個模塊間有大量的數據交換，為此選擇高速雙口RAM,一方面保證單片機和FPGA同時讀寫數據，另一方面保證了數據的處理速度。
cyclone EP1C6提供了20個具有異步﹑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模塊，每個M4K模塊的存儲容量為4Kbit。在QUARTUS軟件中進行簡單的設置，就可以將M4K模塊配置成雙口RAM,數據和地址的位寬可根據實際需要進行選擇。本文設計的RAM可容納兩屏的數據，數據位寬為16位，地址為12位，其中地址的最高位作RAM分區用，每個區存儲一屏的數據，兩屏讀寫同時進行，雙口RAM的配置如圖4所示。
圖4 雙口RAM配置
其中wren是單片機往FPGA中寫入數據的寫使能信號，wraddress[11..0]是寫的地址信號， wrclock是寫時鐘，data[15..0]是寫的數據，rdaddress[11..0]是讀的地址信號，rdclock是讀數據的時鐘信號，q[15..0]是讀出的數據。
2.4基于FPGA的獨立掃描單元
點陣模塊是紅色LED共陰模塊，4塊16×16點陣模塊連接成64×16點陣作為一個單元進行控制，整個大屏有3×8個這樣的單元。將LED的公共接口作為行控制，行掃描信號同時控制著一行中多個LED的通斷，以每個LED流過的電流為10mA計算，一個單元有64列,行掃描信號至少得提供1A左右的電流，因此，在掃描信號送到LED之前必須經過一個三極管以提高驅動能力。三極管選用高速中功率達林頓管TIP127，它的集電極吸收電流最大可達5A，保證行驅動能力。由于點陣的每行需要一個三極管驅動，所以一個64×16的單元塊需要16個TIP127。行掃描電路采用帶鎖存的移位寄存器74LS595來控制，每片74LS595控制 8行點陣的選通與否。由于采用的掃描方式為每隔8行數據同時掃描，一片74LS595每次只能點亮一行的數據，每行點亮的時間相等即占空比為1/8，因此屏幕亮度非常均衡。
列掃描電路的功能是把要顯示的行對應的列數據送到LED的陰極，列掃描也是由74LS595控制的。本文設計的屏幕的硬件結構特點是：每8行LED的陰極是連在一起的，每片74LS595控制8列數據，每隔8行同時掃描，對于一個64×16的點陣單元，共需要8×2個74LS595控制，每行上的74LS595都是級聯起來的。每完成一次列掃描，FPGA都要輸出一個鎖存信號給74LS595以鎖存列數據，接著輸出行掃描信號點亮對應的行，再對行掃描數據進行鎖存，如此循環往復實現整個大屏幕的動態實時顯示功能[4]。
由于FPGA在行列掃描之前已經對數據進行并串轉換，數據都是串行輸出的，每隔8行同時掃描，整個屏幕行掃描只需占用1個I/O口，列掃描只需占用16個I/O口，從而大大減少了對I/O的占用。采用FPGA設計掃描邏輯，掃描的關鍵不在是硬件連接，而是對芯片資源的配置。
3 軟件設計
系統的軟件設計由三部分組成：上位機圖象/文字編輯與發送軟件設計，單片機控制單元軟件設計，FPGA控制單元軟件設計。
3.1 上位機軟件設計
上位機的圖象/文字編輯與發送軟件由Visual Basic編寫，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，設置每屏起始地址和要發送的屏數，調入包含相關信息的文件，點擊“發送”按鈕即可。該軟件適用于任何大小彩色/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色畫圖文件（*.bmp）。
3.2 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現三大功能：串行數據接收和存儲、數據輸出和圖象顯示方式變換。串行數據接收部分主要是通過UART中斷接收并保存數據。圖象顯示方式變換部分實現圖象的變換如上移、下移、左移、右移等以實現豐富多彩的圖象顯示效果。單片機軟件設計是在凌陽科技的集成開發環境unSP IDE下完成的，主要由一個C文件和一個ASM文件組成，C文件包括5屏數據的循環送顯和圖像顯示方式變換，匯編文件包括中斷服務子程序和其他函數調用的子程序。
3.3 FPGA控制單元軟件設計
FPGA控制單元的設計是在QUARTUSII環境下完成，并用硬件描述語言VHDL描述，主要功能是配置雙口RAM、設計掃描控制電路。該單元的軟件設計模塊如圖5所示。
圖5 FPGA控制單元軟件設計框圖
雙端口RAM的配置完全通過在QUARTUS環境中設置菜單實現，配置完成后將自動生成一個VHDL文件，描述雙口RAM的內部邏輯功能，雙口RAM在整個程序設計作為一個元件調用。
基于FPGA的掃描模塊的軟件設計如下：首先對FPGA總時鐘clk進行64分頻得到clk1，clk1的低電平其間FPGA讀取雙口RAM的數據，每4個clk周期讀一個16位的數據，共讀出16個數。clk1的高電平期間FPGA進行列掃描，每2個clk周期同時輸出16個數的1位，共32個周期將這16個數由并轉串輸出到16根數據線上，由于單片機寫RAM的速度低于FPGA對數據的處理速度，剩下的32個clk周期用于等待單片機完成一個區的寫操作。12個clk1周期后，一行的數據全部掃描完畢，FPGA輸出一個列鎖存信號給74LS595鎖存這些數據，同時輸出行掃描信號和行鎖存信號，接著掃描第二行，由于采用16根數據線進行隔8行掃描，整個LED電子屏128行只要完成8次行掃描即可，時序如圖6所示。
圖6 掃描時序圖
5 結束語
通過采用自頂向下的設計思想，運用EDA技術實現FPGA內部雙口RAM的配置和掃描控制電路的設計，將復雜的系統設計集成在一起，只需一片FPGA就可以實現所需的功能，高集成度帶來的不僅是成本降低，還提高了系統的穩定性和可靠性。基于 cyclone EP1C6 的LED 大屏設計方案已成功應用于我院的LED圖文發布電子屏，實踐證明：本系統能以多種播出方式顯示各種字體和型號的文字和圖形信息，與同類設計相比，畫面清晰、性能穩定、操作使用簡單，具有很好的應用前景。
參考文獻
1 羅亞非. 凌陽16位單片機應用基礎. 北京：北京航空航天大學出版社，2003；12：163~173
2 石東海. 單片機數據通信技術從入門到精通. 西安：西安電子科技大學出版社，2002；11：104~109
3 潘松，黃繼業. EDA技術實用教程. 北京：科學出版社，2002;10：231~237
4 李愛國. 模塊化LED電子大屏幕的設計與實現. 計算機應用研究，1998;2：74~75
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