基于FPGA的LED顯示屏模組測(cè)試系統(tǒng)

重慶大學(xué) 田 鳳 陶純匡

1.引言

隨著信息時(shí)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)及時(shí)獲取并顯示各類(lèi)信息的欲望日益強(qiáng)烈，對(duì)傳播媒體的要求也越來(lái)越高[1]。而LED顯示屏以亮度高、功耗小、視角廣、故障率低、組合靈活、使用壽命長(zhǎng)、顯示內(nèi)容多樣、顯示方式豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為多個(gè)領(lǐng)域信息顯示的重要媒體之一[3]。但是，由于目前LED顯示屏種類(lèi)繁多，國(guó)內(nèi)、國(guó)際LED顯示屏生產(chǎn)廠(chǎng)家很多，多數(shù)公司沒(méi)有實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，還是按著訂單生產(chǎn)，導(dǎo)致不同廠(chǎng)家以及同一產(chǎn)品不同批次之間的差異較大[7]。給LED顯示屏的安裝、檢測(cè)、維修帶來(lái)一定的麻煩，所以，為了能實(shí)時(shí)掌握LED顯示屏的相關(guān)特性，設(shè)計(jì)一種能自動(dòng)識(shí)別LED顯示屏模組特性的智能系統(tǒng)是必要的。本文介紹的是一個(gè)以Altera公司的EP2C8Q208C8為核心器件和一個(gè)轉(zhuǎn)接板組成的LED顯示屏模組測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持幾種常見(jiàn)的LED顯示屏接口（08，12）。該系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生橫線(xiàn)、豎線(xiàn)、斜線(xiàn)、紅色、綠色、藍(lán)色等不同圖案，來(lái)檢測(cè)LED顯示屏模組的掃描方式和走線(xiàn)方式，及LED是否有壞點(diǎn)，方便顯示屏的安裝和維修。

2.LED顯示屏模組的原理

LED是發(fā)光二極管(Light Emitting diode)的英文縮寫(xiě)，早期的LED產(chǎn)品是單個(gè)的發(fā)光管，隨著數(shù)字化設(shè)備的出現(xiàn)，LED數(shù)碼管和字符管得到了廣泛的應(yīng)用，而LED點(diǎn)陣模塊的出現(xiàn)，更是適應(yīng)了信息化社會(huì)發(fā)展的需要，成為大眾傳媒的重要工具，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[4]。為了適應(yīng)各種場(chǎng)合的需要，LED點(diǎn)陣模塊的LED發(fā)光燈的個(gè)數(shù)、排列方式等各不相同。典型的LED點(diǎn)陣模塊有4*4、8*8、16*16等多種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示為8*8的LED點(diǎn)陣模塊結(jié)構(gòu)圖。

從圖1看，該點(diǎn)陣模塊需要64個(gè)LED發(fā)光燈，且每個(gè)發(fā)光燈都置于行列的交叉點(diǎn)處，按著行共陽(yáng)極、列共陰極的結(jié)構(gòu)排列，如果需要點(diǎn)亮某個(gè)LED發(fā)光燈，只需將它所在的行置為高電平，所在的列置為低電平即可。

LED顯示屏模組的驅(qū)動(dòng)方法主要有兩種：掃描型和鎖存型。掃描型是指LED顯示屏上的16行，8行或4行等若干行LED共用一行驅(qū)動(dòng)寄存器，一般分別稱(chēng)為1/16掃，1/8掃和1/4掃[1]。對(duì)應(yīng)這幾種掃描方式，有相應(yīng)的走線(xiàn)方式與之呼應(yīng)，為了方便描述，用統(tǒng)一的特征碼表示：xx-Pyy-[aa-bb]，方括號(hào)表示可以重復(fù)多次，如圖2為相應(yīng)代碼的解釋。1/16掃描的模組可以簡(jiǎn)單的描述成16-P16，一路數(shù)據(jù)帶16行。1/8掃描的模組有三種走線(xiàn)方式：8-P8、8-P16-8上蛇形和下蛇形。1/4掃描的模組有六種走線(xiàn)方式：4-P4、4-P8-8上蛇形和下蛇形、4-P16-8上蛇形和下蛇形、4-P16-8-8-16。如圖3為1/8掃描方式8-P16-8上蛇形走線(xiàn)方式的圖解。鎖存型是指顯示屏上的每一個(gè)LED燈都有一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)寄存器[1]，與掃描型一樣，鎖存型也有對(duì)應(yīng)的走線(xiàn)方式與之呼應(yīng)，典型的有1-P16-16、1-P8-1-4-4和1-P8-4-4-16，如圖4為靜態(tài)掃描方式1-P8-1-4走線(xiàn)方式圖解，圖5為靜態(tài)掃描方式1-P8-4-4-16走線(xiàn)方式圖解。

3.硬件部分設(shè)計(jì)

本論文采用FPGA作為主控芯片，F(xiàn)PGA具有豐富的基本可編程邏輯單元、布局布線(xiàn)資源、I/O引腳、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，能完成比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)。為了能夠測(cè)試常用的幾種接口（08、12）的LED顯示屏模組，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一塊轉(zhuǎn)接板。如圖6所示為L(zhǎng)ED顯示屏模組測(cè)試系統(tǒng)的硬件框圖。

圖1 8*8LED點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖

圖2 特征碼解釋表

圖3 8-P16-8上蛇形走線(xiàn)方式圖解

圖4 1-P8-4走線(xiàn)方式圖解

本硬件系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：主控卡和轉(zhuǎn)接卡。主控卡的核心器件FPGA選用Altera公司生產(chǎn)的EP2C8Q208C8，該器件寄存器資源豐富，可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。通過(guò)使用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)其編程，產(chǎn)生LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路所需的各種時(shí)序信號(hào)。電源、晶振、按鍵等都屬于該FPGA的外圍電路，電源通過(guò)連接12V的外接電源，通過(guò)電源芯片轉(zhuǎn)換成1.2V，3.3V和1.8V，以滿(mǎn)足FPGA所需的各種電壓需求。晶振采用50MHZ的頻率，按鍵主要包括復(fù)位和電源開(kāi)關(guān)按鍵，主控卡上的兩排排針，用于與轉(zhuǎn)接板對(duì)接。它們一起組成主控卡部分。轉(zhuǎn)接卡主要包括74HC245、各種接口對(duì)應(yīng)的插針、各種按鍵和LED指示燈等器件。74HC245主要作用是放大從主控卡接收到的各種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并分配給相應(yīng)接口（08、12）的引腳。各種接口對(duì)應(yīng)的插針用于與LED顯示屏引出的接口對(duì)接。按鍵用于顯示方式、顏色、掃描方式和走線(xiàn)方式的切換。LED指示燈用于顯示該轉(zhuǎn)接板是否處于工作狀態(tài)。

圖5 1-P8-4-16走線(xiàn)方式圖解

圖6 LED顯示屏模組測(cè)試系統(tǒng)硬件部分框圖

圖7 內(nèi)部模塊框圖

圖8 數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊流程圖

4.軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分使用Verilog HDL語(yǔ)言完成軟件編程，Verilog HDL語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、高效、功能強(qiáng)，是目前世界上最流行的硬件描述語(yǔ)言之一，它能很好的描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。因此，本系統(tǒng)選用Verilog HDL作為FPGA的編程語(yǔ)言。如圖7所示為FPGA內(nèi)部的模塊框圖，以16*16LED顯示屏模組為例。本系統(tǒng)主要包括4個(gè)模塊：PLL模塊、數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊、顏色切換模塊、雙口RAM讀寫(xiě)模塊和LED顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊。

圖9 顏色切換模塊流程圖

圖10 LED顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊

PLL模塊用于產(chǎn)生后面四個(gè)模塊需要的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊是根據(jù)需要顯示的圖形信息、LED顯示屏模組的掃描方式和走線(xiàn)方式，給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，圖形信息包括橫線(xiàn)、豎線(xiàn)、斜線(xiàn)、全亮，如圖8為數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊流程圖。該模塊首先接收來(lái)自轉(zhuǎn)接板上掃描方式、走線(xiàn)方式和顯示方式切換按鍵的值，每按一次，相應(yīng)計(jì)數(shù)器就加1，默認(rèn)狀態(tài)掃描方式是16掃，走線(xiàn)方式直行走線(xiàn)，顯示方式是橫線(xiàn)。系統(tǒng)剛上電時(shí)，該模塊按著默認(rèn)的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，以滿(mǎn)足顯示屏的走線(xiàn)方式，每產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器加1，直到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器的值大于256，停止計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)器清零，繼續(xù)產(chǎn)生豎線(xiàn)、斜線(xiàn)等數(shù)據(jù)，循環(huán)往復(fù)。

顏色切換模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的顏色組合，給R、G、B三種LED發(fā)光燈分配相應(yīng)的值，顏色組合包括單紅、單綠、單藍(lán)、紅和綠雙色、全白，如圖9為顏色切換模塊流程圖。該模塊接收來(lái)自轉(zhuǎn)接板上顏色切換按鍵的值，每按鍵一次，顏色切換計(jì)數(shù)器就加1，默認(rèn)的顏色是紅色，根據(jù)顏色切換計(jì)數(shù)器的值確定R、G、B哪些賦值，哪些不賦值。每賦值一次，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器就加1，直到計(jì)數(shù)器的值大于256，停止計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)器的值清零，并將R、G、B的值置1。

雙口RAM讀寫(xiě)模塊主要是負(fù)責(zé)存儲(chǔ)顯示屏的數(shù)據(jù)，以便滿(mǎn)足顯示屏的刷新率。最后，LED顯示屏模組驅(qū)動(dòng)模塊從雙口RAM讀寫(xiě)模塊讀取數(shù)據(jù)，并將讀取來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸給LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路，并由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED顯示屏顯示相應(yīng)的圖形、顏色信息，如圖10為L(zhǎng)ED顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊流程圖。該模塊接收轉(zhuǎn)接板上掃描方式切換按鍵的值，每按一次，掃描方式計(jì)數(shù)器就加1，默認(rèn)是16掃，即每次鎖存1行數(shù)據(jù)并顯示，根據(jù)掃描方式，確定每次鎖存的行數(shù)（1,2,4或者16）。在鎖存數(shù)據(jù)的同時(shí)，分別給LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路的OE使能信號(hào)、CLK時(shí)鐘信號(hào)、行選信號(hào)及譯碼器片選信號(hào)分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)值。

5.結(jié)束語(yǔ)

本論文以FPGA為核心器件，設(shè)計(jì)了LED顯示屏模組測(cè)試系統(tǒng)，能自動(dòng)識(shí)別LED顯示屏的掃描方式和走線(xiàn)方式，及能檢測(cè)LED顯示屏是否有壞點(diǎn)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通過(guò)連接計(jì)算機(jī)的控制卡，給顯示屏發(fā)送特定圖片的方式相比，該系統(tǒng)更方便攜帶、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試效率更高，使LED顯示屏的安裝、維修更方便、簡(jiǎn)單。

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