基于FPGA的全彩顯示屏設(shè)計

摘要:系統(tǒng)介紹了一種以FPGA可編程邏輯器件為設(shè)計平臺的、采用大屏幕全彩LED顯示屏進(jìn)行全彩圖像顯示的掃描控制器實現(xiàn)方案。闡述了系統(tǒng)各模塊的工作原理及調(diào)試情況，給出了三色LED顯示系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞:LED顯示屏;FPGA;寬度脈沖調(diào)制

Design of Full-color Display Based on FPGA

ZHENG Han-shang， GU Ai-yu

(Department of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510090， China)

Abstract: Introduces a system to FPGA design platform for programmable logic devices， using a large-screen full-color display LED full-color pictures， as shown in the program scan controllers. Describes the working principle of the system modules and debugging situation， given the three-color LED display system simulation results.

Key words: LED display; FPGA; PWM

隨著現(xiàn)代信息和技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏成為了一個比較重要的傳播媒介。不僅可以傳播各種信息，在現(xiàn)代液晶電視技術(shù)上也采用LED技術(shù)。LED顯示屏從原來單色的顯示屏發(fā)展到現(xiàn)在現(xiàn)在的三基色顯示屏，為LED從原來的單純顯示文字發(fā)展到現(xiàn)在可以顯示文字，圖形，動畫和視頻提供了應(yīng)用。

FPGA器件因其處理速度快，有大量的可編程邏輯單元和豐富的布線資源等特點，在處理大流量數(shù)據(jù)應(yīng)用時具有獨特的優(yōu)勢。本文FPGA為目標(biāo)芯片，根據(jù)模塊化設(shè)計的思想，著重完成三基色LED系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

以FPGA作為主控制器，對三基色的LED顯示屏進(jìn)行控制。FPGA控制器負(fù)責(zé)完成LED掃描方式的控制，PWM控制器的設(shè)定，移位寄存器的設(shè)置和與上位機進(jìn)行通信。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計方面采用Verilog_HDL語言，以Quartuns II7.0為設(shè)計工具進(jìn)行軟件方面設(shè)計。采用自頂向下的設(shè)計思路進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計，將整個系統(tǒng)分成幾個模塊進(jìn)行設(shè)計，再采用頂層設(shè)計方法進(jìn)行綜合。

如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

采用穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法，進(jìn)行+5V，+3.3V的穩(wěn)壓電源的設(shè)計，為系統(tǒng)主控制器和驅(qū)動電路進(jìn)行供電。

2.2 驅(qū)動控制器

2.2.1 LED顯示屏原理

圖文顯示屏的顏色，有單色、雙色和多色幾種。本系統(tǒng)根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境采用的是三基色圖文屏，對于雙色圖文屏和多色圖文屏來說，在LED 點陣的每一個“點”上布置兩個或多個不同顏色的LED 發(fā)光器件，對應(yīng)于每種顏色都有自己的顯示矩陣。顯示的時候，各個顏色的顯示點陣是分開控制的。事先設(shè)計好各種顏色的顯示數(shù)據(jù)，顯示時分別送到各自的顯示點陣，即可實現(xiàn)預(yù)期的效果。每一種顏色的控制方法和單色的完全相同。在顯示效果方面，完全可以通過掃描驅(qū)動方式實現(xiàn)可以感知的靜止不動的效果---靜態(tài)顯示模式;通過隨時間變化不斷控制刷新顯示數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)各種動態(tài)顯示模式，如閃爍、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等，但這里對顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行的刷新并不意味著一定要重新編寫顯示數(shù)據(jù)，可以通過一定的算法從原來的顯示數(shù)據(jù)直接生成。由M行N列組成的M*N 圖文顯示屏其LED 發(fā)光器件數(shù)量相當(dāng)大，不宜使用靜態(tài)顯示驅(qū)動電路，而采用多行的同名列共用一套列驅(qū)動器。控制電路負(fù)責(zé)有序的選通各行，在選通每一行之前還要把該行各列的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。這一行上的LED 發(fā)光器件就可以根據(jù)列數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。這種時序控制電路，可以由布線邏輯完成，但考慮顯示數(shù)據(jù)的存儲和設(shè)計的靈活性及通用性，一般都采用MCU實現(xiàn)。

2.3.2 LED顯示屏的驅(qū)動

當(dāng)向LED 器件施加正向電壓時，流過器件的正向電流使其發(fā)光。因此LED 的驅(qū)動就是如何使它的PN 結(jié)處于正向偏置，而且為了控制它的發(fā)光強度，還要解決它的正向電流的調(diào)節(jié)問題。具體的驅(qū)動方法有通過改變流過LED的電流，脈寬調(diào)制控制等。下面介紹PWM控制原理

PWM控制LED的亮度實際上是控制LED的點亮?xí)r間，周期性地改變其在一個周期內(nèi)點亮?xí)r間的長短，從而實現(xiàn)LED亮度的變化。在工作狀態(tài)下，連續(xù)地改變LED在循環(huán)周期中的點亮?xí)r間，則實現(xiàn)了LED亮度灰度級的連續(xù)變化。要使LED在灰度級變化過程中人眼覺察不到亮度的跳變，則LED的亮滅變化頻率要大于臨界頻率，循環(huán)周期至少不大于0.1～0.2s。

2.2.3PWM仿真

如圖3所示。

2.2.4 掃描控制模塊

LED顯示屏的掃描方式可以有行掃描，列掃描漸變，漸亮，漸暗等掃描方式，此方案中對LED顯示屏進(jìn)行多方式的掃描，以達(dá)到一定的效果。軟件流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

如圖5所示。

4 結(jié)論

本文討論了一種大屏幕全彩LED 顯示屏設(shè)計的掃描控制器設(shè)計方案。本設(shè)計采用FPGA 控制芯片為設(shè)計平臺來完成掃描控制電路的實現(xiàn)，借助EDA 開發(fā)工具，降低了驅(qū)動電路的設(shè)計難度，縮短了項目的開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙才榮，丁鐵夫，鄭喜鳳，等.大屏幕LED顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].液晶與顯示，2005，20(6).

[2] 吳繼華，王誠.Altera FPGAt/CPI D設(shè)計(高級篇)[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[3] 楊姣，郝國法，方康玲.基于cyclone EP1C6的LED大屏設(shè)計方案[J].微計算機信息，2006(4-2).

[4] 張寶祥.我國LED顯示技術(shù)和發(fā)展展望[J].傳感器世界，2005(4).

[5] 王宏民.LED點陣顯示屏驅(qū)動方案[J].信息技術(shù)，1999(5).