基于FPGA的旋轉(zhuǎn)LED顯示設(shè)計(jì)*

梁振楠，彭富林，湯勇明

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

基于FPGA的旋轉(zhuǎn)LED顯示設(shè)計(jì)*

梁振楠，彭富林，湯勇明*

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

設(shè)計(jì)開發(fā)一種采用FPGA作為控制核心的旋轉(zhuǎn)LED顯示器方案。針對動(dòng)態(tài)圖案顯示功能的需求，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)組成方案及FPGA內(nèi)部算法，其中，利用NiosⅡ軟核完成了高速圖像信號的處理，無線通訊和無線供電設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)工作模式的實(shí)現(xiàn)建立了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)已完成如貪吃蛇游戲、文字和圖像動(dòng)態(tài)顯示等應(yīng)用開發(fā)，提供了良好的用戶視覺感受與娛樂體驗(yàn)。

旋轉(zhuǎn)顯示器;LED;FPGA;NIOS核;無線通信

在顯示技術(shù)迅速發(fā)展的今天，LED顯示屏作為一種新型信息發(fā)布媒體，給人們帶來了一種全新的視覺體驗(yàn)。LED(Light Emitting Diode)顯示屏由發(fā)光二極管陣列構(gòu)成。發(fā)光二極管是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)簡單、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

目前，市場上的LED顯示屏均為平板LED屏。這種屏具有顯示穩(wěn)定、顯示內(nèi)容易修改的優(yōu)點(diǎn)，但是平板顯示屏的顯示原理要求顯示屏上的每一像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)LED，這樣造成了平板顯示系統(tǒng)造價(jià)過高、顯示控制系統(tǒng)龐大、功耗大等缺點(diǎn)，而且由于幾何結(jié)構(gòu)的限制，決定了平板顯示屏的視場較?。?］。

本文研究了一種采用單排藍(lán)光LED燈作為顯示載體，利用人眼的視覺暫留原理，以FPGA作為控制平臺(tái)的顯示器設(shè)計(jì)方案，對系統(tǒng)內(nèi)部算法進(jìn)行合理劃分和處理，充分利用 FPGA的 NIOS軟核技術(shù)［3-8］和高速并行處理能力，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)LED顯示信息平臺(tái)。新型的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏可以克服平板LED屏的上述不足，并且所用LED數(shù)量大大減少，使得制作成本和功耗大幅降低。

1 總體方案

本系統(tǒng)的工作原理基于對簡單二維LED點(diǎn)陣顯示屏［9］的擴(kuò)展，采用FPGA開發(fā)平臺(tái)DE0作為控制系統(tǒng)，用電機(jī)將靜態(tài)的LED燈旋轉(zhuǎn)起來，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像顯示和動(dòng)態(tài)動(dòng)畫顯示，實(shí)現(xiàn)LED顯示屏的功能。該系統(tǒng)主要由控制模塊、LED顯示模塊、電機(jī)模塊3個(gè)模塊組成。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

控制模塊的作用是通過實(shí)時(shí)檢測LED轉(zhuǎn)到的位置，控制各個(gè)LED燈的亮滅，實(shí)現(xiàn)所需的文字或者圖案顯示功能;LED顯示模塊的作用是接收并處理控制模塊發(fā)送過來的控制信號，驅(qū)動(dòng)LED燈;電機(jī)模塊的作用是保證LED顯示模塊能夠以超過人眼識(shí)別的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、安靜的旋轉(zhuǎn)起來。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件組成

2.1 控制平臺(tái)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中數(shù)據(jù)的快速處理以及外部接口的靈活配置要求，采用Terasic公司生產(chǎn)的DE0開發(fā)系統(tǒng)作為控制平臺(tái)。DE0開發(fā)系統(tǒng)以Altera公司CycloneⅢ系列中的EP3C16FPGA芯片為核心，可提供15408個(gè)邏輯單元以及346個(gè)I/O口，滿足本旋轉(zhuǎn)LED屏系統(tǒng)的控制平臺(tái)設(shè)計(jì)需求。

2.2 LED顯示模塊

LED顯示模塊選用STC12C5A32S2單片機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部分的控制芯片，通過該款單片機(jī)處理無線模塊接收到的控制信號，同時(shí)控制LED燈的亮滅。

LED顯示屏由20個(gè)貼片LED燈組成，20個(gè)LED排成一列，每個(gè)LED與其他LED之間留有一定的間距，最外面一個(gè)為藍(lán)色LED，其余都為紅色LED。由于貼片LED發(fā)光所需的功率較小，因此可以用單片機(jī)的引腳的高低電平控制燈的亮滅，這樣就可以單片機(jī)的一個(gè)引腳對應(yīng)一個(gè)LED燈，使得同時(shí)控制20個(gè)LED顯得極其簡單。

顯示模塊的具體電路如圖2所示。其中包括單片機(jī)工作所需的外圍電路，燒寫程序所需的下載口，以及整個(gè)模塊的電源模塊。

圖2 顯示模塊

2.3 電機(jī)及無線供電模塊

為了使LED顯示模塊能夠以超過30 cycle/s的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，我們選用5V直流電機(jī)來帶動(dòng)整個(gè)顯示模塊的旋轉(zhuǎn)。

在顯示模塊告訴旋轉(zhuǎn)過程中，通過導(dǎo)線給整個(gè)模塊供電的想法顯然是不現(xiàn)實(shí)的，為此，我們結(jié)合顯示模塊所需的電源功率，比較了類似發(fā)電機(jī)的電刷供電方法與電磁感應(yīng)線圈供電方法。在滿足系統(tǒng)要求的前提下，決定采用更為方便快捷的電磁感應(yīng)線圈供電方法。為此，我們需要將供給電機(jī)的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，供給線圈，然后通過電磁感應(yīng)，將電壓傳遞給顯示模塊，同樣，顯示模塊中的電源模塊會(huì)將接收到的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槟K所需的直流電壓。直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷旱碾娐啡鐖D3所示。

2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互媒介采用觸摸屏，顯示部分采用SSD1289IC控制器驅(qū)動(dòng)的TFT屏［10］，分辨率為320× 240，顯示畫面清晰，觸摸感應(yīng)部分采用ADS7843IC。

SSD1289IC提供了多種通信方式，例如SPI模式傳輸，8080-16 bit并行傳輸?shù)?。為提高刷屏速率，?yōu)化系統(tǒng)，我們采用了8080-16 bit并行傳遞模式，并通過時(shí)序優(yōu)化，很好地實(shí)現(xiàn)了TFT屏顯示。總的工作原理為:將圖片按照RGB565模式取模保存，顯示時(shí)利用SDRAM作為緩存。每次刷屏?xí)r依次將每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值通過16 bit并行模式傳遞給SSD1289IC內(nèi)部RAM，從而實(shí)現(xiàn)圖片顯示。

ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。供電電壓2.7 V～5 V，參考電壓VREF為1 V～+VCC，轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為0～VREF，最高轉(zhuǎn)換速率為125 kHz。因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)電極電壓的切換，并能進(jìn)行快速A/D轉(zhuǎn)換。

ADS7843支持兩種參考電壓輸入模式:一種是參考電壓固定為VREF，另一種采取差動(dòng)模式，參考電壓來自驅(qū)動(dòng)電極。采用差動(dòng)模式可以消除開關(guān)導(dǎo)通壓降帶來的影響。為提高采樣精度，IC選用了差動(dòng)模式進(jìn)行采樣。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用NIOS的單CPU工作模式和MCU兩者結(jié)合的控制方式，CPU主要負(fù)責(zé)模式切換、內(nèi)部算法處理和無線通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，MCU主要進(jìn)行無線通訊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、顯示模塊位置信號的檢測、驅(qū)動(dòng)顯示模塊的LED燈，兩者之間通過NRF2401無線模塊通信。上電復(fù)位后，兩部分分別加載程序數(shù)據(jù)，并進(jìn)行各功能模塊的初始化?？梢酝ㄟ^觸摸屏與系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)模式控制、音頻播放等。軟件工作流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3.1 LED顯示設(shè)計(jì)

為使一排LED燈通過旋轉(zhuǎn)的方式利用人眼的視覺暫留原理顯示出各種圖案，文字，必須控制好每一個(gè)LED燈的亮滅，這也正是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。為此，我們采用一對紅外對管，通過檢測紅外信號的方式來檢測顯示模塊旋轉(zhuǎn)到的位置，基于此位置信號，配合延時(shí)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對每個(gè)LED燈的實(shí)時(shí)控制，從而達(dá)到顯示各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)圖案的效果。

旋轉(zhuǎn)的顯示模塊底端有一個(gè)紅外發(fā)射管，而固定的底座上有一個(gè)紅外接收管，當(dāng)兩個(gè)管子旋轉(zhuǎn)到對準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電平的跳變，因此，就可以表明現(xiàn)在顯示模塊已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到兩對管對轉(zhuǎn)的位置。以此作為觸發(fā)信號開始執(zhí)行代碼，通過延時(shí)控制每個(gè)LED燈的亮滅，從而完成一圈的顯示效果。因此，通過適當(dāng)?shù)男薷拇a，就可以采用這種控制方式顯示各種各樣的圖案。

3.2 無線通信設(shè)計(jì)

為了在電機(jī)告訴旋轉(zhuǎn)的前提先實(shí)現(xiàn)FPGA控制模塊與 LED顯示模塊的實(shí)時(shí)通信，我們采用NRF2401來實(shí)現(xiàn)該無線通信功能［11］。

NRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5 mA，接收時(shí)工作電流只有18 mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其 DuoCeiverTM技術(shù)使NRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。NRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。

NRF2401有4種工作模式:收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、關(guān)機(jī)模式。按照無線模塊的收發(fā)機(jī)制，通過配置不同的模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，保證控制模塊和顯示模塊通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3.3 應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)除了可對LED屏實(shí)現(xiàn)可控顯示外，還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)文字及圖像顯示以及貪吃蛇小游戲等應(yīng)用開發(fā)。應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵在于對各個(gè)LED的顯示位置與時(shí)間進(jìn)行可控設(shè)計(jì)，在充分考慮人眼視覺特征的情況下，通過良好的邏輯設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。

貪吃蛇游戲的軟件開發(fā)，結(jié)構(gòu)簡單清晰，體現(xiàn)了良好的邏輯設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)將LED顯示和貪吃蛇內(nèi)部數(shù)據(jù)處理分開，以達(dá)到各模塊的獨(dú)立性和簡潔性。

4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

從二維顯示出發(fā)，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)LED顯示效果。該系統(tǒng)可以進(jìn)行圖像的靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，并添加了動(dòng)態(tài)的小游戲。具有很好的觀賞性和娛樂性，易于移植，能夠替代矩陣型LED顯示屏實(shí)現(xiàn)各種圖案的顯示，有很高的實(shí)用價(jià)值。由于控制部分設(shè)計(jì)需求較為復(fù)雜，本文采用NIOS軟核實(shí)現(xiàn)。通過NIOS技術(shù)，結(jié)合MCU同時(shí)工作，解決了設(shè)計(jì)具體實(shí)施中遇到的接口較多，算法復(fù)雜等難題。為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，采用NRF2401無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，效果也很理想，實(shí)際效果如圖5所示。

圖5 實(shí)際效果圖

當(dāng)然，該作品仍有較多改進(jìn)空間，如由于限于硬件資源的限制，旋轉(zhuǎn)LED顯示屏的分辨率還不是很高，只能顯示一些簡單的圖像和動(dòng)畫，同時(shí)，現(xiàn)在只能進(jìn)行單色顯示，有可能進(jìn)行全彩LED［12］顯示改進(jìn)。如果應(yīng)用于一些較大型的場所，只要按照給出的設(shè)計(jì)方案對外圍電路進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展就可以成功實(shí)現(xiàn)。

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梁振楠(1992- )，男，漢族，山西平遙人，本科生，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，pumpkin_xixi@163.com;

湯勇明(1973- )，男，漢族，江蘇蘇州人，博士，研究員，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院。主要從事電路與系統(tǒng)、顯示電子學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，tym@seu.edu.cn。

Design of Rotating LED Display Based on FPGA*

LIANG Zhennan，PENG Fulin，TANG Yongming*
(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

A rotating linear array LED display system based on FPGA controller core is presented.According to the dynamic pattern display function requirement，the hardware system and the internal algorithm have been properly designed with the application of NiosⅡsoft cores.The system completes high-speed graphics processing and extends peripheral interface such as the wireless communication，touch screen，and so on.The platform provides good visual and entertainment experiences with application programs，such as Snake Game，text display and so on.

rotating display;LED;FPGA;NiosⅡsoft cores;wireless communication

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.007

TN873;TN791

A

1005－9490(2014)02－0200－04

項(xiàng)目來源:學(xué)科競賽項(xiàng)目

2013-06-10修改日期:2013-07-07

EEACC:4260D