基于Cyclone EP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系統(tǒng)設計

spce061a和cyclone ep1c6簡介

spce061a是凌陽科技的一款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。本文設計的是一個點陣大小為192×128的單色（紅色）顯示屏，且按要求連續(xù)顯示5屏數據，spce061a豐富的片內資源正好滿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入32kb閃存中的方法，取代了傳統(tǒng)mcu＋rom＋ram的設計，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

cyclone ep1c6是altera推出的一款高性價比fpga。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雙口ram，實現(xiàn)數據的讀寫同步，提高了系統(tǒng)的刷新頻率。

整體設計方案

本系統(tǒng)設計的是一塊具有192×128個紅色led點陣的電子大屏幕。整塊大屏幕是模塊化的結構，每4個16×16的點陣塊為一個最小模塊，每行點陣由3個同樣的最小模塊級聯(lián)而成，共8行。大屏幕上要求連續(xù)顯示5屏內容，且每屏都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，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(tǒng)由3個主要單元組成：上位機圖像/文字編輯與發(fā)送部分單元、主控板單元、顯示驅動電路單元。系統(tǒng)上位機由一臺pc機來控制，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行處理后發(fā)送到大屏幕，并在大屏幕上顯示出來。

系統(tǒng)硬件設計

上位機發(fā)出的信息經符合rs－422標準的接口通過雙絞線傳送到主控板上，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，可傳輸的最大距離為1200米，本系統(tǒng)的傳輸距離約為200米，傳輸速率最大為115kb/s，采用rs－422方式傳輸可滿足這一長距離通訊的要求。

主控板單元設計

該單元的設計特點在于數據流接收、存儲以及驅動掃描的單片集成，無須任何外圍電路。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、循環(huán)往復的顯示狀態(tài)，采用異步傳輸能減少系統(tǒng)不斷查詢串口接收標志位的系統(tǒng)消耗。單片機將接收的串口數據以兩個字節(jié)為單位逐一寫入內置的閃存中。單片機內部的2kb sram作為緩存區(qū)，每當單片機要向fpga中寫一屏新的數據時，先按特定的地址從閃存中讀出數據并存放到sram中，再將sram中的數據并行寫到fgga的雙口ram中，單片機與fpga的接口信號除了16根數據線外，還包括單片機向fpga寫數據的地址、寫使能和寫時鐘。由于每屏點陣數為192×128，16位數據并行傳輸所需的地址線為11根。但由于設計需要，系統(tǒng)中還專門設置了1根額外的地址線，用于對fpga的雙口ram進行讀寫分區(qū)，因此共使用了12根地址線。

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幕的結構和掃描電路的特點選擇性地讀出，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根數據線進行隔行傳輸，整塊大屏幕共需16根數據線。由于點陣的行列驅動均采用74ls595驅動，故fpga還應產生列掃描的點時鐘、鎖存信號和行掃描的數據、時鐘、鎖存信號。

雙口ram的配置

由于數據顯示是一種動態(tài)掃描方式，如果采用一個ram區(qū)，當單片機寫ram時，fpga只能處于等待狀態(tài)，這樣就會導致屏幕動態(tài)掃描停止。由于屏幕數據是移位輸出的，當掃描停止時，因為會有某一行的高電平保持較長的時間，該行就會一直保持較強的亮度，影響屏幕的顯示效果。本系統(tǒng)中設計了2個同樣大小的ram區(qū)：a區(qū)和b區(qū)，讓單片機交替進行寫操作。當單片機在寫a區(qū)時，fpga就去讀b區(qū)的字模數據；當單片機寫b區(qū)時，fpga就去讀a區(qū)的字模數據。這樣就不會造成fpga的停止掃描，保證了各行的點陣有相同的時間占空比，使屏幕點陣有同樣的亮度。單片機中的highadr引腳可用于控制單片機的寫區(qū)和fpga的讀區(qū)。

由于每屏點陣數據的大小為1536字，a區(qū)和b區(qū)的容量都至少要大于1536，那么整個的ram區(qū)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，正好可以滿足本系統(tǒng)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中寫入數據的寫使能信號，wraddress[11..0]是寫地址信號，wrclock是寫時鐘，data[15..0]是寫數據，rdaddress[11..0]是讀地址信號，rdclock是讀數據的時鐘信號，q[15..0]是讀出的數據。對于這個雙口ram而言，只有q[15..0]是輸出端口，其他均為輸入端口。與寫數據相關的信號全部由單片機產生，讀數據的所有信號由fpga產生。其中讀寫地址的最高位可實現(xiàn)ram分區(qū)。

點陣驅動電路

本系統(tǒng)中l(wèi)ed的灰度等級是采用調制占空比的方法來實現(xiàn)的，由于大屏幕是單色點陣，主要用來顯示文字信息，所以要求亮度高且均衡。根據這一特點，采用了模塊化的隔8行掃描方式。每隔8行點陣同時進行掃描，則每行的占空比是1/8，使屏幕亮度得到保證。

點陣的驅動電路分為行驅動和列驅動，列驅動采用串行數據傳輸方式，易于模塊化。列驅動電路由74ls595組成，行驅動電路由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74ls595的數據時鐘信號、數據鎖存信號、掃描數據、時鐘、鎖存信號都在一起，所有作為列驅動74ls595的數據時鐘信號，數據鎖存信號、掃描數據、時鐘、鎖存信號也是在一起的，這樣可以實現(xiàn)大屏幕的同步顯示。

軟件設計

系統(tǒng)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，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，調入包含相關信息的文件，點擊“發(fā)送”按鈕即可，數據流經符合rs－422標準的雙絞線傳輸到主控板。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現(xiàn)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uart中斷接收并保存位圖文件。圖像顯示方式變換部分實現(xiàn)圖像的變換，如上移、下移、左移、右移等，以實現(xiàn)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)境下開發(fā)的，主要功能是配置雙口ram、傳送數據和相應的驅動信號，以實現(xiàn)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現(xiàn)，fpga讀雙口ram的a區(qū)還是b區(qū)是由單片機的highadr引腳控制的。fpga按照顯示驅動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的74ls595上。掃描控制信號則在數據送到顯示驅動的過程中產生，用于實現(xiàn)行、列驅動。

結語

本文提出的基于cyclone ep1c6和spce061a的led大屏幕方案已應用于現(xiàn)場。其基于fpga的雙口ram和掃描控制設計使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。實踐證明，本系統(tǒng)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,與同類設計相比,畫面清晰，性能穩(wěn)定、操作使用簡單，具有很好的應用前景。