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1、 综合课程设计 题目（中文） 彩色LED控制器的设计 姓 名 刘秋香 学 号 2011180324 院 （系） 工学院 电子系 专业、年级 2011级 应用电子技术教育 指导教师 兰浩 二一五年 一 月摘 要 LED 显示屏是由发光二极管点阵模块组成的大屏幕显示系统，可以动态显示文字、图像和视频等信息，其使用寿命长，可靠性高，功耗低，亮度高，色彩丰富，已在工业、交通、商业广告、信息发布、体育比赛等领域得到了广泛的应用。本文的研究对象为全彩色 LED 点阵显示屏控制器，提出了一个基于 FPGA 的软件和硬件结合的控制器实现方案。该控制器主要包括以太网接口模块、FPGA 控制模块、DDR 缓存模块
2、和 LED 驱动电路模块。上位机软件将信息源（文字、图像或视频）载入后将其通过网线发送到与其IP地址匹配的控制器。控制器上的以太网芯片将数据以帧形式传送到FPGA控制模块，该模块对接收的数据帧进行解码，并对图像数据进行反校正与位分离重组。DDR SDRAM 的作用是为 FPGA 缓存数据。最终，待显示数据和控制信号被送到LED驱动电路，驱动 LED 屏进行显示。FPGA控制模块的设计是LED显示屏控制器设计的核心内容，其功能模块有：灰度级产生模块、DDR读写控制模块、扫描与驱动控制模块和时钟模块。灰度级产生模块用于产生 256 级灰度。DDR读写控制模块包括读地址产生模块、写地址产生模块和读写
3、控制模块。读地址产生模块按照颜色和权重来产生读地址，写地址产生模块按照颜色数据来产生灰度数据的存储目的地址，读写控制模块控制 DDR 存储器的读写操作。LED 扫描与驱动控制模块产生驱动控制信号并将图像数据送到驱动电路。时钟模块为相关模块产生所需的时钟信号。本文对全彩色 LED 点阵显示屏控制器的总体设计方案以及各模块的硬/软件设计进行了详细阐述，测试结果表明，该设计实现灵活，效果较好。关键词：LED 显示屏，全彩色，FPGA，DDR读写，扫描目录摘要2目录3 第 1 章 绪论41.1 LED 显示屏系统概述41.1.1 LED 显示屏发展回顾41.2 FPGA 及开发工具介绍61.3 课题研
4、究的目的、意义及主要研究内容8第 2 章 LED 器件基本原理及相关知识介绍92.1 发光二级管特性92.2 LED 器件的驱动方式102.3 LED 显示板的信号接口14 第 3 章 LED 点阵显示屏控制器的软件设计16第 4章 总结与展望19参考文献20 绪论1.1 LED 显示屏系统概述 LED 显示屏由若干个发光二极管点阵模块所组成的显示屏幕，相对其它显示媒介，它的使用寿命更长、可靠性更高、环境适应能力更强、性价比更高，是现代社会中主流的平板显示产品，广泛应用于图像和视频显示领域1。 LED 显示屏主要有两种：图文显示屏和视频显示屏。图文显示屏显示的信息主要以汉字、英文文本和简单图形
5、为主；而视频显示屏采用了微型计算机进行控制，能够对各种播放信息，如文字、图像、视频进行实时、同步、清晰的播放。视频显示屏还能显示二维、三维动画、录相、电视节目及一些色彩鲜艳的画面等，广泛应用在商场、宾馆、银行、建筑市场等公共场所2。1.1.1 LED 显示屏发展回顾 根据 LED 显示屏的发展状况可以将 LED 显示屏的发展过程分成三个阶段：发展初期、快速发展时期和稳步发展时期。LED 显示屏的发展初期是在 1990 年以前。那个时期，LED 显示屏所用的材料受到限制，使得 LED 显示屏没能得到广泛的应用，LED 显示屏主要靠通讯控制方式来控制，在客观上影响了显示效果3。虽然 LED 显示屏
6、在其它国家应用较广，但在国内应用的却很少，产品主要以双基色红和绿为主，灰度等级只能做到单点 4级，具有较高的产品成本。 1990 到 1995 年期间，这是 LED 显示屏的快速发展时期。LED 显示屏不管是在制造材料方面还是控制技术方面都取得了突破性的发展，视频控制技术也随之诞生，灰度等级通常为 16 级和 64 级。 LED 显示屏的稳步发展时期为 1995 年以后，出现了双基色灰度级为 256 的视频显示屏，之后又出现了由红、绿、蓝三原色 LED 所生产的全彩色 LED 显示屏，它的颜色非常丰富，图像清晰，画面逼真，这使得 LED 显示屏的应用领域越来越为广泛。1.1.2 LED 显示屏
7、的分类 LED 显示屏按显示颜色可分为三类： 1)单色显示屏系统 该系统是指 LED 点阵只显示一种颜色，LED 器件只有亮和灭两种状态，不存在灰度控制，故不能控制亮度。这种显示屏通常用于显示纯文字信息。 2)双基色显示屏系统 该系统显示红绿两种颜色，能够进行灰度控制，画面显示较生动。 3)全彩色显示屏系统 该系统是由红、绿、蓝三种颜色的 LED 点阵组成，它的显示颜色非常丰富，画面生动而逼真，显示屏能接收视频信号并且可以显示出全彩色的运动图像45。按照控制方式，可把显示屏分为两类： 1)异步显示屏系统 异步显示屏系统是指 LED 显示屏自身就可以存储图像数据并且能对该图像进行自动播放。首先在
8、计算机上编辑好文字或图片信息，通过计算机将数据和命令经过串口发送到控制器的存储器中，然后通过对预先存放在控制器里的各种数据信息的调用，把接收到的指令转化为显示屏所需要的点阵数据，最后在显示屏上进行显示。异步显示屏系统主要用于显示文字和简单的图形信息，可以多屏联网6。 2)同步显示屏系统 同步显示屏系统是指将计算机屏幕上的内容通过控制器实时地映射在 LED 屏上，该系统主要是将显卡中的数据提取出来，然后经过控制器作一系列的处理以后送到 LED 显示屏显示78。从显示驱动方式看，可将显示屏分为： 1)静态显示方式 每一帧图像中的每一个二极管的状态用 0 与 1 来表示，若 LED 中没有电流通过则
9、为暗状态，此时为 0；若有电流通过，二极管被点亮，此时为 1。静态显示方式是指所有的二极管都分别用一个驱动电路来驱动，当输入一幅画面的图像数据，所有的 LED 都同时对其进行显示，一直维持到下一幅图像的到来910。 2)动态显示方式 将一幅画面分成几部分，然后对各个部分分时来显示，这称为动态显示方式。该方法的原理是利用人眼对物体具有视觉延迟这一事实来达到所有 LED 同时显示的效果。动态显示时，在每一时刻只有一组 LED 在显示，即点亮状态，而其它 LED组都为熄灭状态。与动态显示相比，采用静态显示方式需要增加译码驱动装置的数量，且随着屏示屏的尺寸加大与分辨率的提高，所需的译码驱动装置将更多。
10、这必将导致引线增加且电路更复杂，不仅会增加设计成本，而且会降低可靠性。因此，当 LED 数量比较少时可以选择使用静态显示方式，而当 LED 数量较多时则应使用动态显示方式，以避免以上问题111217。 采用动态显示时，如果没有合理的设计方法，易造成亮度低与闪烁等后果。因此，设计时既要保证驱动电路容易实现，又要保证图像的稳定、无闪烁131418。 本文的设计采用了行扫描、列控制的动态显示方式。1.1.3 LED 显示屏的发展趋势 自从上世纪 90 年代以来，我国 LED 显示屏的产品工艺及设计技术都在稳步地发展自从高亮度、全彩化蓝色及纯绿色 LED 产品出现以来，LED 显示屏的基础材料产业化，
11、LED 显示屏的制造成本也随之降低，这使 LED 显示屏的应用领域更为广泛1516。 随着 LED 产品各项技术指标的提高，其亮度、色彩、白平衡也呈现了比较完美的效果，完全可以满足户外全天候环境条件的要求，加上 LED 彩色显示屏性价比高这样的特点，传统户外所用的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品会被逐渐被 LED彩色显示屏所取代1920。 在交通路口、繁华商业街等，都能看到用来做广告载体LED 显示屏，轮流播放着商业广告和部分公益广告，广告形式层出不穷，变化多端，内容极其丰富。如今各省市体育场馆也大量采用了 LED 彩色的显示产品，在四十三届世乒赛主场地天津体育中心就采用了国产的 LED 显示屏，随
12、后一些其它的国内重要体育场馆如上海体育中心、大连体育场等都采用了 LED 显示屏作为信息发布的主要途径。 LED 显示屏产品正在走向规范化、标准化。我国 LED 显示屏产业通过十余年的发展，已经形成了一批具有较大规模且具有核心设计技术的企业，它们已经在开始实施 ISO9001 质量标准体系。有了行业规范和质量体系就意味着能够使用统一的判定标准对产品进行检测。如果生产条件不好、技术性不强的企业将受到淘汰，在以后的几年内通过淘汰一些小规模 LED 显示屏生产厂商，LED 显示屏行业的发展将趋于有序。 据统计，2010 年中国 LED 芯片行业总产值达 1500 亿元人民币，同比增长100%。特别在
13、体育、户外广告、交通等诸多领域的市场将有进一步的增加。专家预测认为：在国内，全彩色 LED 显示屏的市场需求量的增长率将超过 50%。 我国全彩色 LED 显示屏的技术水平相对来说还是比较先进的，主要的 LED 平板显示产品的技术水平与国际同行业的先进水平相差不大，但在 LED 显示屏的制造工艺以及 LED 屏的检测方面与其它国家还存在一定差距21。1.2 FPGA 及开发工具介绍 1.2.1 FPGA 芯片介绍 FPGA 又叫现场可编程门阵列，它采用的是一种类似掩膜可编辑门阵列的结构，它是一种可编程的器件。 FPGA 器件的内部结构由三部分组成：可编程逻辑块 CLB(Configurable
14、 Logic Blocks)、可编程内部连线 PI(Programmable Interconnect)和可编程 I/O 模块 IOB(Input/Output Block)。 目前在市场上销售的 FPGA 芯片大部分来自两家公司：Altera 公司和 Xilinx公司，这两家公司的 FPGA 芯片占据了市场份额的 80%以上，其他的 FPGA 厂家产品主要是针对某些特定的应用22。比如，Actel 公司主要生产反熔丝结构的FPGA，以满足某些应用条件极为苛刻的航空、航天领域产品23。1.2.2 硬件描述语言 一、硬件描述语言概述 硬件描述语言是一种可以用来描述硬件电路结构、信号连接关系和定时关系的语言，其中最有代表性的硬件描述语言就是美国国防部开发的 VHDLVery-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)语言和 GatewayDesign Automation 公司开发的 Verilog HDL 语言24。与传统的基于电路原理图的设计方法相比，硬件描述语言具有许
