基于單片機(jī)和FPGA的LED顯示屏設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）13-0021-04

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.006

0 引言

LED顯示屏憑借其清晰度和色彩還原度高、視角廣、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、能耗低等顯著優(yōu)勢(shì)[-3]，已成為顯示技術(shù)領(lǐng)域公認(rèn)的下一代核心發(fā)展方向[4-5]。該技術(shù)通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從室內(nèi)到室外的多場(chǎng)景應(yīng)用覆蓋，在演唱會(huì)舞臺(tái)視覺(jué)呈現(xiàn)、商業(yè)綜合體數(shù)字廣告、體育賽事實(shí)時(shí)播報(bào)、展覽館交互式信息展示等場(chǎng)景中，為動(dòng)態(tài)影像、圖形化界面及多媒體內(nèi)容的可視化傳播提供了可靠載體[67]。本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合單片機(jī)和FPGA控制器的LED顯示屏控制方案，實(shí)現(xiàn)了具有高刷新率的三基色LED顯示控制系統(tǒng)。

1 LED顯示屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)主控制板和含F(xiàn)PGA控制板的8塊LED顯示板兩部分構(gòu)成，如圖1所示。單片機(jī)主控制板主要通過(guò)外部PC的RS232通信總線進(jìn)行程序下載，同時(shí)向LED顯示板發(fā)出控制和數(shù)據(jù)信號(hào)。顯示板通過(guò)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和變換，控制矩陣LED點(diǎn)陣的顯示。圖1中有 1～8 號(hào)八個(gè)LED顯示板，每個(gè)板子都包含rst、clk、fp、bank、data五個(gè)信號(hào)。其中，rst是復(fù)位信號(hào)，用于初始化重置顯示板；clk是時(shí)鐘信號(hào)，用于同步數(shù)據(jù)傳輸；fp是幀脈沖，用于指示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始；bank用于面切換，用于指示面顯示信號(hào)；data是串行數(shù)據(jù)，包含要顯示的數(shù)據(jù)信息。這些信號(hào)都是控制LED顯示的關(guān)鍵。首先，信號(hào)是從單片機(jī)主控制板發(fā)出的，最先到1號(hào)板，然后依次傳遞到2號(hào)、3號(hào)直到8號(hào)板，每個(gè)后續(xù)的板子都接收前一個(gè)板子的信號(hào)。然后，每個(gè)LED顯示板上的FPGA會(huì)處理這些串行信號(hào)，轉(zhuǎn)換成16位并行數(shù)據(jù)，再發(fā)送給LED點(diǎn)陣模塊顯示。

2 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)單片機(jī)控制的主要功能是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與發(fā)送，以此來(lái)控制LED燈的亮滅，從而實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字、圖像、符號(hào)和文字的動(dòng)靜態(tài)顯示。圖2為單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖，包含了2個(gè)外部模塊和6個(gè)內(nèi)部模塊，外部模塊包含：PC計(jì)算機(jī)模塊和LED顯示屏模塊。PC計(jì)算機(jī)用于編程、調(diào)試和下載程序；LED顯示屏用于接收和解析單片機(jī)發(fā)出的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，并進(jìn)行顯示。內(nèi)部模塊包含：接收處理、計(jì)時(shí)器中斷操作、初始化、EEPROM、命令緩沖區(qū)和命令解析處理6個(gè)模塊。接收處理模塊用于接收計(jì)算機(jī)進(jìn)來(lái)的程序，計(jì)時(shí)器中斷模塊用于計(jì)時(shí)器中斷操作產(chǎn)生NAK信號(hào)，初始化模塊用于初始化單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器的初始數(shù)據(jù)，EEPROM模塊用于存儲(chǔ)單片機(jī)程序，命令緩沖區(qū)模塊用于緩存LED顯示屏的數(shù)據(jù)和指令，命令解析處理模塊用于解析LED顯示屏的顯示命令，如靜態(tài)顯示、閃爍顯示、左右滾動(dòng)顯示和上下滾動(dòng)顯示等。單片機(jī)的控制模塊經(jīng)過(guò)算法處理生成LED點(diǎn)陣所需的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，并在系統(tǒng)里產(chǎn)生有行同步和面同步信號(hào)，具有同步糾錯(cuò)功能。如果數(shù)據(jù)時(shí)鐘受到干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)在下一行或下一面恢復(fù)同步，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 單片機(jī)控制板的測(cè)試

單片機(jī)控制板產(chǎn)生的LED點(diǎn)陣控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，如圖2所示，包含復(fù)位信號(hào)（rst）、晶振時(shí)鐘信號(hào)（sclk）、數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)（clk）、幀脈沖信號(hào)（fp）、面切換信號(hào)（bank）、串行數(shù)據(jù)信號(hào)（data），其仿真波形如圖3所示。sclk為石英晶振時(shí)鐘， N 個(gè)晶振時(shí)鐘產(chǎn)成一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk，一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘發(fā)送一位數(shù)據(jù)。fp為幀脈沖信號(hào)，128個(gè)clk完成一幀，每完成一幀產(chǎn)生一個(gè)fp的高電平。32幀之后形成一個(gè)面數(shù)據(jù)，觸發(fā)bank面信號(hào)，進(jìn)行面切換。所以，1面數(shù)據(jù) =128 （位） ×32 （行） Σ=Σ4096位。32行數(shù)據(jù)包含16行紅色和16行綠色的數(shù)據(jù)，一行紅色和一行綠色的發(fā)光二極管合成一行雙基色橙色的發(fā)光二極管。由圖3可見(jiàn)，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3 LED顯示板的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的LED顯示屏由8塊組成，每塊為 16× 16點(diǎn)陣，每個(gè)像素由紅綠兩個(gè)發(fā)光二極管組成，所以每塊的實(shí)際數(shù)據(jù)為 16×16×2 位，塊與塊之間的信號(hào)以串行方式連接。每塊顯示屏的主要器件是FLEX10K系列中FPGA芯片F(xiàn)LEX10KTC144.FLEX10-KTC144允許用戶設(shè)置RAM，RAM設(shè)置為64字，每字16位，可以存放兩面數(shù)據(jù)，一面用于讀，一面用于寫。讀寫出現(xiàn)沖突時(shí)采用寫優(yōu)先原則。芯片應(yīng)用程序編程，從而具有存儲(chǔ)、判斷、變換、傳輸數(shù)據(jù)的功能，實(shí)現(xiàn)了在LED顯示屏上顯示數(shù)字、大小寫字母、漢字、圖像等數(shù)據(jù)。

3.1 LED顯示板硬件電路

圖4為本系統(tǒng)LED顯示板硬件電路圖。系統(tǒng)選用Altera公司EPF10K10TC144-4型FPGA作為核心控制單元，該芯片配合EPC2LC20非易失性存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)程序存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)包含8組級(jí)聯(lián)式雙基色顯示單元，每組顯示單元由以下核心模塊構(gòu)成：在信號(hào)處理架構(gòu)方面，前端采用兩片74HC244高速緩沖器（U1、U2）實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理功能，主控FPGA（U3）負(fù)責(zé)執(zhí)行串并轉(zhuǎn)換與顯示控制算法。驅(qū)動(dòng)電路采用UMB3NTN和2SD2153T100型達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣顯示。顯示模塊采用HBK-2569MDO10型雙基色模，通過(guò)U5、U6兩個(gè) 16×8 點(diǎn)陣單元組合形成 16×16 顯示矩陣。每個(gè)像素點(diǎn)集成紅綠雙色LED管芯，通過(guò)獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)綠色、紅色單色顯示，或通過(guò)混色疊加生成橙色。系統(tǒng)采用分布式級(jí)聯(lián)架構(gòu)，8組顯示單元通過(guò)四線制總線（時(shí)鐘、幀同步、面切換、數(shù)據(jù)及復(fù)位信號(hào)）進(jìn)行串聯(lián)通信。信號(hào)流經(jīng)單片機(jī)主控板后，依次經(jīng)過(guò)1#～8#顯示單元形成級(jí)聯(lián)電路。

各單元內(nèi)部處理機(jī)制包含：FPGA實(shí)時(shí)接收串行數(shù)據(jù)并寫入緩存，經(jīng)時(shí)序解析后并行輸出16位紅色、綠色數(shù)據(jù)總線（R[1-16]）、G[1-6]）及16路共陰/陽(yáng)選通信號(hào)（C[1-16]），最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示。該設(shè)計(jì)方案通過(guò)FPGA的可重構(gòu)特性實(shí)現(xiàn)了顯示時(shí)序的靈活配置，分布式架構(gòu)確保了大規(guī)模點(diǎn)陣系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，多級(jí)驅(qū)動(dòng)方案有效滿足了LED陣列的電流承載需求。各顯示單元采用統(tǒng)一硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)地址譯碼實(shí)現(xiàn)差異化數(shù)據(jù)顯示，顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和維護(hù)便利性。

3.2 LED顯示板內(nèi)部邏輯控制設(shè)計(jì)

圖5為L(zhǎng)ED顯示板內(nèi)部邏輯控制框圖，該系統(tǒng)按功能包含以下幾個(gè)模塊：輸入接口部、存儲(chǔ)器寫入控制部、動(dòng)態(tài)控制部。輸入接口部的作用是獲取來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)、幀信號(hào)和面信號(hào)，并將數(shù)據(jù)由串行變換成并行。存儲(chǔ)器寫入控制部通過(guò)來(lái)自輸入接口部的時(shí)間信號(hào)，控制向存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫入。動(dòng)態(tài)控制部讀取來(lái)自存儲(chǔ)器寫入控制部的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理生成三個(gè)16路的LED點(diǎn)陣控制信號(hào)，紅色數(shù)據(jù)信號(hào)reddata[15：0]，綠色數(shù)據(jù)信號(hào)greendata[15：0]，公共選通信號(hào)com-drv[15：0]。以上48路信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣動(dòng)態(tài)顯示。

圖6為L(zhǎng)ED顯示板輸入輸出波形圖。rst為復(fù)位信號(hào)；sclk為石英晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)；clkb為數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)；fp_b為幀信號(hào)；bank_b為面信號(hào)；red_data為紅色的數(shù)據(jù)信號(hào)，green_data為綠色的數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)紅色和綠色的信號(hào)同時(shí)加在發(fā)光二極管上時(shí)，管子呈現(xiàn)橙色；comdrv為二極管的公共選通信號(hào)，用于從第1行、第2行直到第16行依次動(dòng)態(tài)點(diǎn)亮16行的發(fā)光二極管。由圖可見(jiàn)，數(shù)據(jù)由輸入的串行信號(hào)變換成了16位的并行數(shù)據(jù)信號(hào)，com_drv動(dòng)態(tài)掃面信號(hào)位0001、0002、0004、0008等，能夠依次掃描二極管，因此經(jīng)過(guò)FPGA變換后，輸出信號(hào)正確。

4 LED顯示屏的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖7展示了LED顯示屏的試驗(yàn)裝置與測(cè)試結(jié)果。測(cè)試設(shè)備由LED矩陣屏和單片機(jī)控制板組成。測(cè)試結(jié)果表明，該顯示模塊能夠穩(wěn)定地呈現(xiàn)光效，完整實(shí)現(xiàn)了LED顯示屏的矩陣顯示功能。

在實(shí)際應(yīng)用層面，屏幕可根據(jù)需求切換靜態(tài)/動(dòng)態(tài)顯示模式，兼容數(shù)字、文字、特殊符號(hào)及圖像內(nèi)容輸出。動(dòng)態(tài)模式下更具備多向滾動(dòng)功能，包含閃爍、上翻、下移、左移、右移等多樣化呈現(xiàn)方式，充分展現(xiàn)了顯示系統(tǒng)的智能操控性與場(chǎng)景適應(yīng)能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)和FPGA的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了LED動(dòng)態(tài)圖文系統(tǒng)。其中單片機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)生成控制信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)算法控制實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)輸出，確保顯示效果的穩(wěn)定性，支持亮度自動(dòng)調(diào)整和畫(huà)面切換功能。FPGA可編程邏輯器件負(fù)責(zé)顯示信號(hào)的處理，具有靈活、高效和可重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。FPGA內(nèi)部搭建邏輯功能模塊，進(jìn)行信號(hào)收集、存儲(chǔ)，并將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)輸出給LED點(diǎn)陣，支持文字、數(shù)字、符號(hào)、圖片等信息的多種顯示方式，如靜態(tài)顯示、上下左右移動(dòng)動(dòng)態(tài)顯示。系統(tǒng)具備高精度控制、強(qiáng)穩(wěn)定性、低成本等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)單片機(jī)的控制算法和FPGA的邏輯處理，系統(tǒng)能靈活變換顯示內(nèi)容和方式，滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求，可用于商場(chǎng)、車站、廣場(chǎng)等公共場(chǎng)所的廣告牌，支持動(dòng)態(tài)圖文顯示，吸引觀眾注意力，尤其是在廣告、信息發(fā)布、工業(yè)控制、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域具有較大的市場(chǎng)需求。同時(shí)，該系統(tǒng)在成本、性能和靈活性方面的優(yōu)勢(shì)將助力其在市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。

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