基于FPGA+MCU的大型LED显示屏系统设计
本系统考虑对于传输视频数据大小和驱动led大屏幕刷新频率的要求，led发送卡、接收卡均采用fpga作为核心处理器，笔者选择xilinx公司基于90nm工艺制造的xc3s250e-ftg256，内有25万逻辑门，最高频率可以达到600mhz，完全可以满足系统速度的要求在系统中作为扫描控制单元，同时以mcu芯片为主控制单元。采用该方案可以有效简化显示屏的电路结构，从而提高了整个控制系统的灵活性和可靠性。
1 系统的组成和工作原理
该系统采用89c51单片机和sdram 组成控制中心，由基于xilinx公司的fpga的90nm工艺制造的xc3s250e-ftg256和ram 组成扫描控制模块，以flash作为存储器模块，采用以太网传输数据，组成led屏的控制系统。系统结构如图1所示。其工作原理为：主机通过tftp协议将图片传输给系统以太网接口模块，以太网接口模块解析协议，接收图片数据，然后将数据传输给mcu，mcu 将接收到的数据写入存储模块nand flash.在显示时，mcu读取flash 中的数据，通过spi接口将数据传输给fpga扫描控制模块，经扫描控制模块处理后传输到led屏幕上显示。
图1 基于fpga和mcu的led显示屏控制系统框图
2 硬件系统设计
2.1存储器电路设计
本系统中需要用2片ram 芯片作为缓存来存储视频数据，并以乒乓方式进行快速读写操作。目前主要有动态存储器（dram）和静态存储器（sram），sram 的读写时间短，静态功耗比较低，总线利用率高，它不需要刷新电路就能保存内部存储的数据，但是它的集成度较低，相同的容量占用体积大，价格较高，主要用于性能要求较高的领域。
dram 只能将数据保持很短的时间，它使用电容存储，必须经常刷新电路来保存数据，它的读写过程比较复杂，时间较长，动态功耗较大，总线利用率比较低。不过dram 的存储容量大，价格便宜，被大量用在服务器和电脑中。由于dram 读写过程比较复杂，本系统要求存储器有快速的读写响应，所以设计中选用sram 作为存储器。本系统所用的led屏大小为512×64，每个像素数据（rgb）占用24bit，则一场画面的数据量为512×64×24=768kbits.本设计选用issi公司的is61lv25616芯片来存储视频数据。saa7111输出16bit视频信号，16位数据线正好方便存储数据。它的容量为256×1 024×16bit，足够存储一场视频数据，并有留有充足的容量供系统以后的升级。sram 的电路设计如图2所示。
图2 sram 电路
2.2 fpga的硬件设计
fpga的硬件设计如图3所示。fpga 需要提供大量的i/o引脚和高速的显示控制信号，所选用的基于xilinx公司的fpga 的90nm 工艺制造的xc3s250e-ftg256可以满足设计的要求。
图3 fpga的硬件结构
2.3驱动电路
fpga采用的电压是3.3v，而led屏体显示电路的电压是5v的ttl逻辑电平，因此需要进行电平转换的电路。这个电路由74hc245构成，工作电压为5v，74hc245采用cmos工艺，是一种三态输出、8组总线收发器，其输入电平兼容3.3v系统，使用外接的5v电源将输出电平提升到5v，同时为各种控制和数据信号提供驱动能力。74hc245的电路如图4所示。其中：oe为输出控制引脚，低电平为有效；dir引脚用于控制转换方向，接高电平时表示从a向b转换，a0~a7用于输入数据信号，b0~b7用于输出转换后的数据信号。
图4 74hc245驱动电路
2.4显示板的驱动电路
led显示板的面积很大，它的正面由led 显示块级联而成，背面是驱动电路。由于led的驱动电流相对较大，驱动电路应尽量和led点阵模块靠近。因此行列驱动器一般都安装在屏体的背面。led显示板的驱动电路中采用了74hc595芯片，是硅结构的cmos器件，兼容低电压ttl电路，具有8位串入并出的移位、并行锁存和三态输出功能。移位寄存器和锁存器使用独立的时钟，数据sdata 在sclk的上升沿输入移位寄存器，在lt的上升沿进入的锁存器中去。当使能信号oe为低电平时，锁存器的数据输出到led.74hc595芯片可以解决数据显示和数据串行传输在时间上的冲突问题，在显示1行各列数据的同时，可以准备下1列的led数据。以1/16行扫描为例，led显示板的驱动电路如图5所示。
clk是移位寄存器时钟，每个脉冲将引起1位数据移入74hc595中，当1行的数据全部移完后，锁存信号lt控制数据从74hc595的寄存器移入锁存器。a、b、c、d是行扫描信号，其中a是最低位，通过4/16译码器控制led屏的行扫描。oe是消影信号，它可以选择控制行信号或列信号，用于led点阵是否能被点亮和控制整屏的亮度。如果oe控制列信号，它接74hc595芯片的oe端，因为只有当oe为低电平时74hc595的输出才有效，否则输出三态。如果oe控制行信号，它接到4/16译码器的使能端，低电平时行扫描不起作用。
图5 led显示板的驱动电路
3 系统软件设计
整个系统的软件包括2部分：上位机应用软件和嵌入制单元软件。上位机软件编辑在led显示屏上显示的数息，并实现与下位机的通信；嵌入式控制单元软件实现了接收和存储、数据输出和图像显示方式变换，从而实现led屏的控制。
3.1上位机应用软件
上位机应用软件用visual c++编写，主要实现显示的编辑与通讯的功能。该软件运行于windowsxp环境中，方便用户使用。完成的功能有：（1）对显示信息进行编辑、修改功能，也可以直接调用windows中的256色画图文件（*.bmp）；（2）在上位机上对显示的内容进行预览，以保证有较好的显示效果；（3）依照上位机与i2c接口模块的协议，将信息传输给系统以i2c接口模块，从而实现显示数据的更新。
3.2嵌入式控制单元的软件
嵌入式控制单元的软件实现以下3大功能：数据接收和存储、数据输出和图像显示方式变换。（1）依照显示屏与上位机之间的通讯协议，与上位机进行通讯，接收显示数据，存入flash存储器。（2）将待显示的数据从flash存储器中取出，对数据进行处理，实现上移、下移、左移、右移等丰富多彩的图像显示效果。（3）通过spi接口将数据传输给扫描控制模块，fpga通过串并转换等将数据转换成适合led屏驱动电路格式的数据，然后传到led屏幕上显示出来，仿真如图6所示。
图6 软件模拟显示效果
4 结语
与传统的基于单片机的led屏控制系统相比较，该系统在不增加系统成本的情况下，可支持256灰度级的全彩图文信息的显示，可以播放全彩动画；可存储较大容量的数据（64mb）；通过i2c接口快速传输数据，为显示区域较大、显示内容切换频繁的大屏幕led显示控制系统提供良好的解决方案。
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图1 基于fpga和mcu的led显示屏控制系统框图
2 硬件系统设计
2.1存储器电路设计
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dram 只能将数据保持很短的时间，它使用电容存储，必须经常刷新电路来保存数据，它的读写过程比较复杂，时间较长，动态功耗较大，总线利用率比较低。不过dram 的存储容量大，价格便宜，被大量用在服务器和电脑中。由于dram 读写过程比较复杂，本系统要求存储器有快速的读写响应，所以设计中选用sram 作为存储器。本系统所用的led屏大小为512×64，每个像素数据（rgb）占用24bit，则一场画面的数据量为512×64×24=768kbits.本设计选用issi公司的is61lv25616芯片来存储视频数据。saa7111输出16bit视频信号，16位数据线正好方便存储数据。它的容量为256×1 024×16bit，足够存储一场视频数据，并有留有充足的容量供系统以后的升级。sram 的电路设计如图2所示。
图2 sram 电路
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fpga的硬件设计如图3所示。fpga 需要提供大量的i/o引脚和高速的显示控制信号，所选用的基于xilinx公司的fpga 的90nm 工艺制造的xc3s250e-ftg256可以满足设计的要求。
图3 fpga的硬件结构
2.3驱动电路
fpga采用的电压是3.3v，而led屏体显示电路的电压是5v的ttl逻辑电平，因此需要进行电平转换的电路。这个电路由74hc245构成，工作电压为5v，74hc245采用cmos工艺，是一种三态输出、8组总线收发器，其输入电平兼容3.3v系统，使用外接的5v电源将输出电平提升到5v，同时为各种控制和数据信号提供驱动能力。74hc245的电路如图4所示。其中：oe为输出控制引脚，低电平为有效；dir引脚用于控制转换方向，接高电平时表示从a向b转换，a0~a7用于输入数据信号，b0~b7用于输出转换后的数据信号。
图4 74hc245驱动电路
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图6 软件模拟显示效果
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