基于FPGA的点阵LED显示屏控制器的设计

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LED屏幕在现代信息化的社会里应用越来越广泛，而它的灵魂是其内部的控制器。传统的LED控制器绝大部分是基于单片机设计的，这种控制器在控制单色或双色点阵是足够的，但是使用它来控制多彩色的LED屏和高分辨率的LED屏，是非常困难的。为解决这一问题，本文提出了一种基于FPGA的LED点阵屏的控制器设计。
       
        1国内研究现状
       
        如今，FPGA技术正处于高速发展时期，芯片的集成度越来越高，处理速度也越来越快，但成本却越来越低。低端的FPGA正在逐步的取代传统的数字元件，而高端的FPGA也在不断在与ASIC争夺市场份额。随着科技的进步和半导体制造工艺的不同改进，FPGA的集成度将不断提高，芯片的成本将不断降低，FPGA的应用前景将日趋光明。
       
        传统的LED屏控制器的电路设计通常是基于单片机的，单片机作为其主控制器，控制协调LED屏的整个显示系统的显示，这种控制器在控制单色或双色点阵是绰绰有余的，但由于工作频率的原因，若是使用基于单片机的控制器来驱动高分辨率的LED屏或者是高灰度级的LED屏等，在这些对数据的处理速度要求很高场合下，单片机的处理速度是远远无法满足其要求。
       
        若是使用FPGA设计LED屏控制器则可以很好的解决上面的问题。如今最快的单片机的处理速度最快也就300MHZ左右，而FPGA的处理速度最快这可以达到上GHZ，所以在上面那些对数据处理速度要求很高的场合下，FPGA能很轻松的胜任。此外，FPGA设计的控制器除了解决传统单片机在处理速度上的不足外，在传输上方面，它还可以通过网络来进行长距离数据传输，最远的传输距离可达100米；在控制显示方面，它可实现灰度级的显示。这使的该控制器在LED屏市场上有很大的优势以及实用性。
       
        2系统设计
       
        基于FPGA的点阵LED显示屏控制器系统的设计要求是引入FPGA，实现LED屏自动扫描的功能，LED点阵显示屏使用高亮度LED发光管构成点阵，通过编程控制可以显示中文、英文字符、图形以及视频信息。
       
        该系统主要包含PC主机、FPGA控制、显示驱动、LED显示屏等，如下图1所示。
       
       
        图1系统总体框图
       
        由上图可知，系统主要以FPGA控制模块和LED点阵显示屏为硬件平台，利用PC主机将所要显示的字符、图形以及视频信息传输给FPGA控制器，FPGA控制器将这些信息进行转换后，再通过驱动模块把数据传输到LED屏显示。在本系统中，FPGA控制器是最核心的部分。PFGA控制器系统正常工作的配置需包括FPGA主芯片、存储器、程序下载接口、电源模块、复位电路以及时钟模块等，如下图2所示：
       
       
        图2 PFGA控制器系统图
       
        以上为保证FPGA控制器正常工作的最低配置要求，该系统还有很强的扩展功能，例如还可以给它扩展VGA视频接口进而来控制点阵屏来显示视频信息；还可以为其扩展网络接口，从而可以通过网络来传输要显示的信息，甚至还可以通过网络来对FPGA进行网络在线编程等等。
       
        3系统创新点
       
        本系统主要实现控制字符、图像及视频信息在点阵屏上显示。在主处理器上，没有采用传统的单片机，而采用FPGA器件，主要有以下原因：
       
        第一、在处理速度上FPGA比传统的单片机高很多。单片机是靠执行指令来完成各种功能的。由于单片机执行指令方式是排队式串行，所以不论工作时钟频率多高或是指令时序多好，它的工作速度都不可能很高。而FPGA输入引脚的电平和输出引脚的初始电平是可预先设定的，在开机的一瞬间就能达到预定好了的电平，状态很明确。各逻辑宏单元和逻辑块的输入信号也只需几纳秒到几十纳秒就能反映到输出端，信号传输效率非常高，适合在高速采样的场合中应用，如可以用以处理视频信号，使的LED屏显示视频信息等。
       
        第二、可编程逻辑宏单元和逻辑块是封装在同一芯片内，它们之间的相互连线属于内部走线，受外界干扰的影响非常小，电磁兼容性（EMC）很好。
       
        第三、FPGA的另一个最大的优点是：可现场编程。当设计的产品需要更新升级，而这升级过程中又涉及到内部逻辑关系的改变时，使用FPGA设计的控制器则不需要更改原有的电路，而只需用图形语言程序或硬件描述语言程序来改变电路，编译综合生产新的下载文件，下载到FPGA器件即可，非常方便，这大大缩短了产品的开发周期和成本。
       
        4结束语
       
        近些年，FPGA的发展非常迅速，它的集成度越来越高，速度也越来越快，但价格却越来越低，这将使得FPGA芯片更平民化，本设计的成本也将随之降低。另外，在这个信息传媒时代，LED显示是个不可缺少的媒介，它的应用非常广泛。例如在各大城市里，我们经常会看到很多高楼外墙上的巨大的视频广告显示屏；春晚舞台后面的巨大显示屏以及很多街道上的店面门前的滚动显示促销活动的广告显示屏等等，这些都是用LED点阵制作的。随着信息技术的不断发展，LED大屏显示器的成本将越来越低，随着LED显示器的推广使用，LED大屏显示控制器很有应用前景。