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摘 要：介紹了一種基于FPGA的LED大屏設(shè)計方案，采用自頂向下的設(shè)計思想，設(shè)計了基于FPGA的雙口RAM和掃描控制電路，解決了傳統(tǒng)LED大屏設(shè)計中，控制系統(tǒng)復(fù)雜﹑可靠性差的問題。
關(guān)鍵詞：單片機，F(xiàn)PGA， ,雙口RAM
目前采用的顯示系統(tǒng)的控制電路，大多由單個或多個CPU及復(fù)雜的外圍電路組成，這種電路設(shè)計，單片機編程比較復(fù)雜，整個電路的調(diào)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(shè)計方案,該設(shè)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(xiàn)，具有數(shù)據(jù)處理速度快、可靠性高的特點。其中FPGA內(nèi)部雙口RAM的運用，為不同總線間的數(shù)據(jù)通信提供了一個新的解決方案。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能概述
設(shè)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(jié)構(gòu)，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(xù)顯示5屏內(nèi)容，且每屏具有上下左右移動等動畫效果，實際應(yīng)用中主控制室距離電子屏約為200米。結(jié)合設(shè)計對象的要求和大屏幕設(shè)計的特點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)框圖
LED大屏設(shè)計系統(tǒng)由三個主要單元組成：上位機圖象/文字編輯與發(fā)送部分單元、主控板單元、LED電子屏。系統(tǒng)上位機由一臺PC機來控制，主要是編輯、發(fā)送圖象/文字信息到主控板，而主控板對這些數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送到大屏幕上顯示出來。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是對主控板的設(shè)計，主控板的主要功能包括：數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、掃描控制等。傳統(tǒng)LED大屏設(shè)計由作為數(shù)據(jù)存儲器的FLASH ROM和數(shù)據(jù)處理緩存器的RAM、CPU和可編程邏輯器件FPGA/CPLD、作為數(shù)據(jù)掃描緩沖區(qū)的RAM組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 傳統(tǒng)LED大屏設(shè)計主控板結(jié)構(gòu)圖
傳統(tǒng)主控板硬件設(shè)計需要較多的外圍器件（有的設(shè)計中還不止一個CPU和CPLD），不僅硬件結(jié)構(gòu)和連線復(fù)雜，而且設(shè)計成本較高。此外，由于數(shù)據(jù)量很大，各個分立存儲器之間、單片機與FPGA/CPLD之前數(shù)據(jù)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(shè)計選用一片凌陽單片機SPCE061A和一片F(xiàn)PGA cyclone EP1C6，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 圖3 基于cyclone EP1C6的主控板結(jié)構(gòu)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(nèi)核電壓1.5V。采用0.13μm工藝技術(shù)，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(nèi)嵌2個鎖相環(huán)電路和一個用于連接SDRAM的特定雙數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)器﹑中斷控制﹑CPU時鐘﹑模數(shù)轉(zhuǎn)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(fù)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(fù)雜的數(shù)字信號[1]。
2.2主控板結(jié)構(gòu)及功能
主控板結(jié)構(gòu)如圖3所示，上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)通過雙絞傳送到RS422接收模塊[2]，經(jīng)轉(zhuǎn)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(fā)送的數(shù)據(jù)。單片機將接收的串口數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)為單位逐一寫入內(nèi)置的FLASH中。單片機內(nèi)部的2K字SRAM在此作為一個緩存區(qū)，每次單片機要向FPGA中寫一屏新的數(shù)據(jù)時，先按特定的地址從FLASH中讀出數(shù)據(jù)并存放到SRAM中，再將SRAM的數(shù)據(jù)并行寫到FPGA的雙口RAM中。
FPGA在其內(nèi)部配置一個雙口RAM緩存單片機寫入的數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)按照大屏的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)由并轉(zhuǎn)串，按照一定的時序?qū)Υ笃咙c陣進行、列掃描，這個時序也是由FPGA產(chǎn)生的。掃描數(shù)據(jù)和時序控制信號從FPGA的I/O口輸出后，經(jīng)過一個由74LS245構(gòu)成的隔離驅(qū)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(shè)計的獨特之處。RAM作為中介將單片機送來的數(shù)據(jù)在LED電子屏上顯示出來，由于數(shù)據(jù)顯示是一種動態(tài)掃描方式，若采用一個RAM 區(qū)，單片機在寫RAM 時，F(xiàn)PGA只能處于等待狀態(tài)，F(xiàn)PGA讀RAM時，單片機寫數(shù)據(jù)也無法同時進行，導(dǎo)致屏幕刷新頻率降低，動態(tài)掃描不連續(xù)，影響屏幕的顯示效果。因此設(shè)計了兩個同樣大小的RAM 區(qū)：A區(qū)和B區(qū)。當(dāng)單片機寫A區(qū)時， FPGA讀B區(qū)的數(shù)據(jù)，單片機寫B(tài)區(qū)時，F(xiàn)PGA讀A區(qū)的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，另一方面保證了數(shù)據(jù)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(shè)置，就可以將M4K模塊配置成雙口RAM,數(shù)據(jù)和地址的位寬可根據(jù)實際需要進行選擇。本文設(shè)計的RAM可容納兩屏的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位寬為16位，地址為12位，其中地址的最高位作RAM分區(qū)用，每個區(qū)存儲一屏的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，rdaddress[11..0]是讀的地址信號，rdclock是讀數(shù)據(jù)的時鐘信號，q[15..0]是讀出的數(shù)據(jù)。
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(jīng)過一個三極管以提高驅(qū)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(qū)動能力。由于點陣的每行需要一個三極管驅(qū)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(shù)據(jù)同時掃描，一片74LS595每次只能點亮一行的數(shù)據(jù)，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(yīng)的列數(shù)據(jù)送到LED的陰極，列掃描也是由74LS595控制的。本文設(shè)計的屏幕的硬件結(jié)構(gòu)特點是：每8行LED的陰極是連在一起的，每片74LS595控制8列數(shù)據(jù)，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(lián)起來的。每完成一次列掃描，F(xiàn)PGA都要輸出一個鎖存信號給74LS595以鎖存列數(shù)據(jù)，接著輸出行掃描信號點亮對應(yīng)的行，再對行掃描數(shù)據(jù)進行鎖存，如此循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)整個大屏幕的動態(tài)實時顯示功能[4]。
由于FPGA在行列掃描之前已經(jīng)對數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)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(shè)計掃描邏輯，掃描的關(guān)鍵不在是硬件連接，而是對芯片資源的配置。
3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計由三部分組成：上位機圖象/文字編輯與發(fā)送軟件設(shè)計，單片機控制單元軟件設(shè)計，F(xiàn)PGA控制單元軟件設(shè)計。
3.1 上位機軟件設(shè)計
上位機的圖象/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(shè)置為192×128，串口選擇COM1或COM2，波特率設(shè)置為9600，設(shè)置每屏起始地址和要發(fā)送的屏數(shù)，調(diào)入包含相關(guān)信息的文件，點擊“發(fā)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(diào)用WINDOWS中的16色畫圖文件（*.bmp）。
3.2 單片機控制單元軟件設(shè)計
單片機控制單元的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)三大功能：串行數(shù)據(jù)接收和存儲、數(shù)據(jù)輸出和圖象顯示方式變換。串行數(shù)據(jù)接收部分主要是通過UART中斷接收并保存數(shù)據(jù)。圖象顯示方式變換部分實現(xiàn)圖象的變換如上移、下移、左移、右移等以實現(xiàn)豐富多彩的圖象顯示效果。單片機軟件設(shè)計是在凌陽科技的集成開發(fā)環(huán)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(shù)據(jù)的循環(huán)送顯和圖像顯示方式變換，匯編文件包括中斷服務(wù)子程序和其他函數(shù)調(diào)用的子程序。
3.3 FPGA控制單元軟件設(shè)計
FPGA控制單元的設(shè)計是在QUARTUSII環(huán)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(shè)計掃描控制電路。該單元的軟件設(shè)計模塊如圖5所示。
圖5 FPGA控制單元軟件設(shè)計框圖
雙端口RAM的配置完全通過在QUARTUS環(huán)境中設(shè)置菜單實現(xiàn)，配置完成后將自動生成一個VHDL文件，描述雙口RAM的內(nèi)部邏輯功能，雙口RAM在整個程序設(shè)計作為一個元件調(diào)用。
基于FPGA的掃描模塊的軟件設(shè)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(shù)據(jù)，每4個clk周期讀一個16位的數(shù)據(jù)，共讀出16個數(shù)。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(shù)的1位，共32個周期將這16個數(shù)由并轉(zhuǎn)串輸出到16根數(shù)據(jù)線上，由于單片機寫RAM的速度低于FPGA對數(shù)據(jù)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(qū)的寫操作。12個clk1周期后，一行的數(shù)據(jù)全部掃描完畢，F(xiàn)PGA輸出一個列鎖存信號給74LS595鎖存這些數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(jié)束語
通過采用自頂向下的設(shè)計思想，運用EDA技術(shù)實現(xiàn)FPGA內(nèi)部雙口RAM的配置和掃描控制電路的設(shè)計，將復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計集成在一起，只需一片F(xiàn)PGA就可以實現(xiàn)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(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。基于 cyclone EP1C6 的LED 大屏設(shè)計方案已成功應(yīng)用于我院的LED圖文發(fā)布電子屏，實踐證明：本系統(tǒng)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(shè)計相比，畫面清晰、性能穩(wěn)定、操作使用簡單，具有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻
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3 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實用教程. 北京：科學(xué)出版社，2002;10：231~237
4 李愛國. 模塊化LED電子大屏幕的設(shè)計與實現(xiàn). 計算機應(yīng)用研究，1998;2：74~75
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