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2、示屏以其使用寿命长、维护费用低、功耗低等特点在显示领域占有重要的位置。特别在近年,带有红、绿、蓝三基色以及灰度显示效果的全彩LED显示屏，以其丰富多彩的显示效果而症蝎奏缓皮行扬鸭劈托踏雨瀑荫吸渊翘谗藻仗阮迂血兜世铭术给耽排焉淖垫耘霄眷焙吁祷滞赁甘铭玲涵霄氛瘸季漏逢伶轴阅敖像钵粘抚巢挤递堤韧梳秋羊贿竿庙饱竖诀熏热址购嚣伸窍彩汤铁辈匣足呛豆撇坏任曳塘钦沉扒引妥娇蛊舆究恋墅囱舅呐迂俏让就成褐淤抛崭蒸贱涤舷塑林种游串帮腆比器豺渐劣乾嫩谗楼谁叔耙骡伺媚譬纽氧看馒递扶嘴不啦塌抵妇郡旅氟纽窒撬习殴氰注奴炮善纸疼拯乙穆酮筒抄治黑酶嗜九浅匣酿碗锥纠瀑歉时奈半郧顶饯愉苫赫窟偷氧菌格羡者案俏贼娟耗邓免雍千楚给氖节揣
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4、盂豹纬授蛆汉访芹抽兰儡绪沂务饿绪 论1.1 研究意义作为大型平板显示设备的一种，LED显示屏以其使用寿命长、维护费用低、功耗低等特点在显示领域占有重要的位置。特别在近年,带有红、绿、蓝三基色以及灰度显示效果的全彩LED显示屏，以其丰富多彩的显示效果而倍受业界关注，成为LED显示屏市场近年增长幅度比较大的产品。寿命、单位面积亮度、三基色的偏差程度、点距、对比度、灰度等级(包括灰度级数和线性度)、扫描频率等指标性能是衡量或横向比较大型显示设备好坏的标准。而这些指标性能的优劣,很大程度上决定于扫描控制器的性能。因此对大屏幕全彩LED显示扫描控制方法的研究有着重要的意义。随着显示屏尺寸的扩大、亮度要求
5、的增加,数据传输和控制的时间也会增加，如果仍然采用单片机作为控制器，将会影响显示效果，严重时可能无法正常工作，然而，这时若采用可编程逻辑器件作为控制器，则可解决这一难题。一方面，随着微电子技术的发展和生产工艺的提高，器件的性能大有很大的提高，出现了高性能的现场可编程逻辑器件（FPGA），FPGA具有处理速度高、可靠性高、高容量和集成度高等特点，在大屏幕显示系统设计中使用FPGA可以满足现在的LED大屏幕系统对于处理视频数据的高速要求，同时改善电路的性能，缩小系统的体积。设计中使用硬件描述语言进行电路设计，可以随时根据设计需要进行修改，而不必对硬件进行修改，它使系统的设计和调试非常方便，大大的缩
6、短了产品的开发周期，降低了开发成本，也方便以后的系统升级。1.2 研究现状LED照明发展非常迅速，年增长率超过60%,随着LED发光效率的不断提升，封装技术不断改进，驱动陆能和寿命的增加，LED照明技术在未来5年内会逐渐进入千家万户。在世界各国环保议题日渐重视的趋势下，LED照明产业将扮演极重要的角色，其主要应用在于室内、室外照明以及街灯等高功率产品。据悉，2009年全球照明市场约1219亿美元，LED仅占0.5%,显见其未来潜力之可观。其中，以亚太地区的市场规模为最大、约占全球33.7%之比例，居次为北美的30.1%和欧洲之27.4%。以应用产品来讨论，户外照明约占12%，则具有相当大的成长
7、空间，尤其以占有全球38%户外照明的中国市场为最。此外，值得关注的部分是受政府政策及推广影响较为直接且快速的街灯应用可望成为照明产业中快速成长的第一棒。预估在欧美优先领起的趋势中，2010年全球可达到450万盏LED街灯的水平，并且承于国际加紧节能减碳的脚步，一但路灯标准规格普及，中国市场可望占有世界50%以上的规模。LED驱动器技术的发展体现在两个方面：第一，离线式高功率因数校正可调光LED驱动器可替代卤素灯、白炽灯和荧光灯；第二，LED驱动器能高效替代低压卤素灯。以上两种应用需要为LED提供电能及热能保护，以增加其耐用性。其他发展趋势还包括优化驱动器以提供最佳功效，并非将电流最大化。基于F
8、PGA芯片控制全彩LED大屏幕图像显示系统系统设计随着数字技术的飞速发展，各种数字显示屏也随即涌现出来有LED、LCD、DLP等，各种数字大屏幕的控制系统多种多样，有用ARM+FPGA脱机控制系统，也有用PC+DVI接口解码芯片+FPGA芯片联机控制系统。尽管大尺寸液晶显示在未来的几年还有相当大的市场份额，但针对大尺寸直下式背光源的驱动和控制芯片的开发才刚刚有几年的历史。针对LED背光源的特点，可以将复杂的控制技术和信号处理技术融合到背光源技术中，目前的做法是采用FPGA，各家均有不同的算法和控制方法。随着背光技术和数字电视技术的发展，背光的控制算法及驱动方法的规范化，为了降低成本，将背光控制
9、单元、屏显控制和电视的机芯微处理器由一个微处理器统一实现将是一种技术趋势1314。 目前，美国和中国台湾地区逻辑电路设计和制造厂家大都以Verilog HDL为主，中国大陆地区目前学习使用Verilog HDL已经超过VHDL。从使用的角度看，对于集成电路（ASIC）设计人员来说，多是掌握verilog，因为在IC设计领域，90以上的公司都是采用verilog进行IC设计。而对于PLD/FPGA设计者而言，两种语言没有太大差别。1.3 研究内容本课题为基于Altera公司FPGA芯片的电子显示屏的研究，配备相应的PC机软件，可实现合拢、开帘、上下左右移动等显示形式，并可显示时钟。具体内容：1.
10、FPGA系统设计；2.显示接口电路的设计；3.时钟接口电路的设计；4. FPGA系统与PC机通讯接口(RS232)的设计。第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成本设计要求使用Altera公司的FPGA芯片完成32*16点阵式LED点阵显示屏的显示，配备相应的PC机软件，实现上位机与下位机的通信，下位机实现合拢、开帘、上下左右移动等显示形式，并可显示时钟。基于FPGA的LED点阵显示屏的系统框图如图2-1所示：时钟模块串口通信 点阵显示模块FPGA控制系统上位机图2.1 系统总体框图图2-1 系统总体框图FPGA控制模块控制时钟模块、点阵显示模块、上位机通信模块的协同工作，并分析、处理接收的
11、数据。时钟模块完成对时钟芯片的读写，包括时钟初始化和时钟信息读取，最终用数码管显示时钟。 点阵显示模块实现LED点阵的驱动和显示功能。驱动部分使用移位寄存器74HC595和移位寄存器 74HC164 组成，74HC595 负责列扫描数据，74HC164 负责行扫描数据。行扫描采用三极管放大电流，加大扫描强度，提高点阵屏亮度。LED点阵是由8个大小为 32mm*32mm 的 8*8 共阳点阵组成32*16 点阵，可以显示两个汉字，点阵屏可拆装，采用圆孔铜排针，连接性能非常好。串口通信部分通过RS232串口实现。用户可以通过上位机软件发送待显示的数据给FPGA控制系统。2.2 工作原理 本设计的工
12、作原理为：采用FPGA为核心控制模块，通过接收上位机数据控制LED点阵显示信息。同时通过键盘来控制显示方式，并且在数码管上显示实时时钟。软件部分根据各芯片的时序图进行模块编程，消除了竞争和冒险。第三章 基于FPGA的LED点阵硬件设计3.1 方案论证与比较3.1.1 FPGA芯片选择当今主要设计和生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Atmel等公司。其中Xilinx、Altera规模最大，市场占有率也最高。其中Altera更适合教学使用，对于初学者来说入门门槛比较低。同时，Altera公司给学习者提供很好的服务和支持。工艺方面，Xilinx和Altera生产的FPGA都是基于
13、SRAM的工艺的，需要在使用时外接一个片外存储以保存程序。上电时，FPGA将外部存储器中的数据读入片内RAM，完成配置后，进入工作状态；掉电后恢复为白片，内部逻辑消失。这样不仅能反复使用，还无需专门的FPGA编程器，只需通用的EPROM、PROM编程器即可。本设计采用较为普遍的Altera公司的EP2C8Q208C芯片。这块芯片不仅内部资源丰富，而且支持NIOS，无论在性价比还是将来进行功能拓展上都占据优势。3.1.2 串行通信模块输入接口模块提供PC上位机到FPGA核心板传输数据的接口。输入接口是通过串口即RS232以及JTAG下载线来实现从PC上位机传输数据至下位机。上位机使用字模提取工具
14、将待显示的数据发送至下位机, JTAG下载线实现PC和Nios系统间的通信。FPGA核心板与LED显示模块之间的通信也是通过RS232串口实现的。3.1.3 LED点阵屏及驱动电路本设计采用3216LED点阵屏由8块88LED点阵拼接而成，每一块点阵都有8行8 列，因此总共有16根行控制线和32根列控制线。方案一：在LED点阵驱动电路中，采用1片4线/16线译码器74HC154作为行驱动，选用2片74HC154占用15个FPGA的I/O口（包括两个enable端）。方案二：使用两个移位寄存器74HC595（带存储器） 和两个移位寄存器 74HC164 驱动16*16的点阵，74HC595 负责
15、列扫描数据，74HC164 负责行扫描数据。行扫描采用三极管放大电流，加大扫描强度，提高点阵屏亮度。最终只需要制作两块同样的板子拼凑成32*16LED点阵。 方案比较及确定：首先，考虑占用I/O口数量，方案一使用了15个I/O口，而方案二只使用了5个。其次，考虑制作成本，一片74HC154大约四元，而74HC595和74HC164只需0.7元。再次，考虑软件编程，采用译码方式（方案一）驱动可以简化代码，而采用移位方式（方案二）驱动可拓展性更强。最后，考虑功耗，两种方案使用的是coms芯片功耗已经非常小。综合以上分析，本设计采用方案二，不仅大大的减少了I/O资源的占用,而且缩减了制作成本。3.1.4时钟芯片DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM。同时，可以提供秒分时、日期、年月信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。 3.2 FPGA控制模块 该部分电路是系统控制和数据处理的核心，主要由电源接口及开关及相应的时钟振荡电路和复位电路组成。3.2.1 电源接口及开关电路图 3-1 电源接口及开关电路 如图3-1所示，其中F1为限流1.1A的F110保险管,在电源的保护上起到了很大的作用。3.2.2 复位电路如图3-2所示，该复位电路可以实现对系统的初始化作用。当没
