基于FPGA的LED全彩显示屏控制系统设计

李海富，熊本波，吴旭志

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

基于FPGA的LED全彩显示屏控制系统设计

李海富，熊本波，吴旭志

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

系统对LED全彩屏扫描控制板做了一个全新的架构设计，即采用C8051F340单片机+FPGA作为主控模块实现逐点控制和全彩画面显示。运用单片机的灵活性和多功能性特点，完成了显示屏内温湿度采集、供电电压监测、屏外环境亮度监测、与上位机通信和对FPGA的配置和控制。FPGA作为高速器件完成显示数据收发和扫描。采用恒流驱动芯片MBI5036实现LED恒流驱动。

C8051F340;FPGA;全彩显示;逐点控制;高速传输

0 引言

LED显示屏最早出现在1970年代，随着电子工业技术的发展和人民生活水平的提高，LED显示屏已被用到交通信息引导、广告传播、建筑装饰、舞台背景、广场大屏幕等方面。LED显示屏也从简单的文字信息屏发展到高清全彩的视频播放显示屏，可以直接接收DVI、VGA和有线电视视频信号。全彩LED显示屏作为节能产品一直存在成本高，自我监测能力弱，亮度不均匀的缺点。本论文就这些方面提出解决方案。

1 关键器件选择和总体结构设计

1.1 器件选择

1.1.1 CPU 选择

由于CPU要完成与上位机通信，进行温湿度、电压、亮度采集，对FPGA进行配置和控制。因此要求选用的单片机有AD模块，串行通信、I2C、和多路I/O。因此本系统选用C8051F340，C8051F340有一个10位ADC模块，ADC模块17个外部输入，64KB的闪存，一个I2C，40个I/O，最高总线时钟达48MHz，同时它的I/O为多功能复用管脚，有交叉开关可以灵活配置个个模块接口。

1.1.2 FPGA配置程序存储器选择

FPGA选择工作在被动状态，为了节省成本和充分利用单片机资源，由单片机配置FPGA，因此要一个稳定可靠的存储器存储FPGA配置程序。为此选择存储芯片M25P80，M25P80为SPI串行Flash存储器，容量为64Kbit具有先进的写保卫机制。M25P80在配置程序下装后写保护，可保证FPGA每次上电被正确配置。

1.1.3 FPGA 选择

FPGA选用Altera公司Cyclone系列EP1C3T144。EP1C3T144有2910个逻辑门、13K RAM、1个锁相环、104个用户I/O。

EP1C3T144为低端系列FPGA，因为与单片机配合工作，因此完全能满足要求。一个EP1C3T144可扫描多达12个LED显示模块。外接25MHz时钟电路通过锁相环即可为FPGA提供100MHz以上的工作频率，足够满足显示数据接收、读写外扩存储器、扫描LED显示模块。13K RAM作为各种数据输入输出的缓冲区。

1.1.4 LED 驱动芯片选择

目前市场上显示屏存在亮度不均，色彩不稳定往往是由于驱动芯片不能恒流驱动造成的，在本系统中选用MBI5036作为驱动芯片。MBI5036恒流输出范围值:3～60mA，电流输出极为精确，通道间一般差异值:＜±1.5%，芯片间一般差异值:＜±3%，因此可以改善显示屏的这种缺点。同时MBI5036可以具有线路开路及线路短路侦测能力，为显示屏的保护维修提供方便。

1.2 总体结构设计

本系统电路分为两部分:扫描控制板和LED显示屏。扫描控制板主要分为两块即单片机系统和FPGA系统。单片机系统将温湿度、环境亮度、供电电压信号采集换算后传送给上位机，同时接收上位机指令控制FPGA工作。FPGA通过网络接收显示数据存入SRAM，并按显示模块布线规则将数据扫描出去。扫描控制板系统结构如图1。

图1 扫描控制板系统结构图

2 系统电路硬件设计

2.1 单片机系统电路设计

单片机系统电路处理器为C8051F340，复位芯片用TCM809SENB713，当供电电压低于1.8V是便会输出低电平复位单片机。温湿度传感器、光电池传回的电压和供电电压通过放大器LM358进行放大射随后送入单片机。RS485电平转换选用SN65HVD3082ED，这样可以省去隔离电源。SN65HVD3082ED的RO、DI接到单片机的RX、TX上，RE接到单片机I/O上使能RS485发送。24C04用来存储控制数据和显示屏大小等。SDA、SCL接到单片机I2C接口上，以便直接用单片机I2C总线读写24C04。FPGA配置程序存储器M25P80接到单片机SPI接口上。

2.2 FPGA系统电路设计

FPGA系统电路主要有网络接口、外扩SRAM、扫描驱动接口等。在锁相环输入接口上接25MHz有源晶振为FPGA提供时钟源。网络接口采用网络收发器VT6013，VT6013收发数据速度可达100M bps速率。数据接口为TTL电平，直接接到FPGA的I/O口上。在收发器与接口间采用网络隔离变压器11F－05NL。用SLVU2.8－4防护静电放电(ESD)，闪电。它可满足单向路线的要求，以及双向要求无论是在一个共同的模式或差分模式配置。一幅画面的显示数据很多，EP1C3T144内部没有足够的RAM空间存储数据，因此要外扩SRAM存储显示数据。在此外扩SRAM采用IS63LV1024，将IS63LV1024的数据总线DATA、地址总线ADDR、读写和控制信号接到FPGA的I/O口上，由FPGA硬件产生控制信号读写数据。在FPGA扫描数据输出接口上加驱动器74HC244更大驱动能力和距离。

2.3 LED驱动电路设计

LED显示模块大小为16*16像素，LED驱动芯片为MBI5036，驱动芯片分为三组，驱动灯的颜色顺序为蓝绿红。每组由16个驱动芯片，数据线Do0送入Din，然后从UB0的Dout到UB1的Din，依次连接，最后从UR15的Dout输出接到接口的Di0，这样由FPGA的两个I/O口就可以完成一个显示模块数据扫描和错误侦测。驱动芯片上的数据控制端LE和输出锁存器使能端OE分别接到FPGA的LE0和OE0上FPGA的统一使能输出。MBI5036的R－RXT引脚上接1%的电阻选择芯片最大驱动电流。

3 系统软件设计

3.1 单片机系统软件设计

单片机由定时器2作为定时控制进行亮度、温湿度、供电电压采集，其它时间单片机不停的查询串口数据缓存区，如串口数据缓存区有新数据，则根据协议处理。定时器2定时中断时间为1mS。定时到1S时采集亮度、1.1S采集温度、1.2S采集湿度、1.2采集电压。每次采集的数据都做平均后存入buffer。串行数据接收，每次查询串口时，单片机先从串口接收环形缓冲区读数据。根据协议判断是否为协议内的数据，是则存入串口数据缓存区，每次接收到贞尾后对数据进行处理。程序流程图如图2所示。数据协议:

贞头:0x02(一个字节);

地址:0x01(一个字节);

命令:0x00(一个字节);

数据:0x04，0x05……(小于1000个字节);

校验:0x33，0x33(两个字节CRC校验);

贞尾:0x03(一个字节)。

3.2 FPGA硬件设计

FPGA中各个模块是并行工作的，每个信号好的传输和状态的转变都由时钟的上升沿或下降沿启动。

FPGA接收RGB数据，由时钟控制FPGA不断的读网络接口芯片数据到接收缓冲区(FIFO)。如果缓冲区数据不为零，则对数据进行判断，是自己的数据送入SRAM输入缓冲区，不是则送入网络发送缓冲区转发数据。

RGB数据存储，FPGA跟据IS63LV1024写时序将数据存入IS63LV1024。

4 结语

本系统主要完成了LED显示屏底层的扫描和驱动系统设计，如果使其产品化可形成一套完整的显示屏系统。因其有低成本优势和高性能在市场一定会有竞争力，同时也可满足人民生活的高要求。

图2 单片机软件流程图

［1］ 王诚，吴继华.Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)［M］.北京:人民邮电出版社，2005.

［2］ 张庆玲，杨勇.FPGA原理与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［3］ 林志贤，薛红，郭太良.一种大屏幕彩色 FED显示系统的研制［J］.电视技术，2006(6):12.

［4］ 施齐云.一种 LED汉字信息动态显示可控系统的设计［J］.信息技术，2002(12):47－49.

［5］ 赵雅兴.FPGA原理、设计与应用［M］.天津:天津大学出版社，2000.

A design of LED full color display screen control system based on FPGA

LI Hai-fu，XIONG Ben-bo，WU Xu-zhi

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

This system designs a new architecture for LED full color scanning controller board by using C8051F340 MCU+FPGA module as the main control module to implement point-to-point control and full color screen display.It completes the acquisition of temperature and humidity within the display screen，power supply voltage monitoring，environmental luminosity monitoring outside the screen，the communication with upper computer and the FPGA configuration and control by using the flexibility and versatility of MCU.FPGA，as a high-speed device，is used to deal with data receiving and scanning，and constant current driver chip MBI5036IC is used to achieve LED constant drive.

C8051F340;FPGA;full color display;point-to-point control;high-speed transmission

TP338.7

A

1009－3907(2011)06－0001－03

2011-03-25

李海富(1964-)，男，吉林长春人，副教授，硕士，主要从事嵌入式及智能控制方向的研究。

责任编辑:吴旭云