FPGA控制旋轉(zhuǎn)LED顯示系統(tǒng)

新疆工程學(xué)院 王斌虎

旋轉(zhuǎn)LED顯示系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的新型電子產(chǎn)物，因其獨(dú)特的顯示方式和別具一格的顯示效果以及低功耗、高效率的特點(diǎn)贏得了廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間。本文是以Altera公司Cyclone II系列的FPGA（EP2C8Q208C8N）芯片為主控高速處理器，通過無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)LED顯示屏動(dòng)作，通過主副線圈電磁耦合感應(yīng)給旋轉(zhuǎn)部分供電，采用紅外收發(fā)管的檢測(cè)配合主控器的處理實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)顯示內(nèi)容位置的穩(wěn)定，用硬件描述語(yǔ)言語(yǔ)言（Veirilog HDL）實(shí)現(xiàn)控制代碼的編寫，借助視覺暫留效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行組合調(diào)試。

1 本文的目的及意義

隨著LED器件性能不斷提高，傳統(tǒng)的LED字屏價(jià)格高昂、放置位置固定、不易挪動(dòng)、互動(dòng)性不強(qiáng)，顯得十分不便。因此，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、攜帶便利、變換內(nèi)容信息容量大等優(yōu)點(diǎn)的—旋轉(zhuǎn)LED顯示，具有十分重要的意義。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

LED顯示屏作為新型的顯示器件出現(xiàn)在各樣LED項(xiàng)目中，國(guó)內(nèi)LED企業(yè)承擔(dān)了工程項(xiàng)目的主體部分，供應(yīng)了大批的LED產(chǎn)品，這也表明了LED顯示屏行業(yè)未來的趨勢(shì)。伴著LED高性能材料的逐步開發(fā)，更新穎的LED顯示屏也漸漸浮現(xiàn)，因此旋轉(zhuǎn)LED顯示屏也會(huì)得到普及，它的誕生必將服務(wù)于人類生活。

3 主要內(nèi)容

本文主要針對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一款以Altera公司Cyclone II系列FPGA為核心控制器的旋轉(zhuǎn)LED顯示系統(tǒng)。利用FPGA主控芯輸出端口輸出高低電平驅(qū)動(dòng)LED燈的亮滅，通過Rf370電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)LED旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，加上紅外對(duì)管位置檢測(cè)確定顯示，最后利用人眼視覺暫留效應(yīng)顯示出預(yù)期的文字和圖案。路給系統(tǒng)供電，對(duì)旋轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸供電，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.1 FPGA控制模塊

Cyclone款產(chǎn)品是Altera公司系列產(chǎn)品中成本最低、性價(jià)比最高，內(nèi)部大概結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，該器件有5種邏輯資源：邏輯陣列塊（LAB）、可編程I/O控制模塊、嵌入式陣列塊（EAB）、鎖相環(huán)（PLL）和可編程內(nèi)部連線陣列。

圖2 Cyclone ll系列FPGA基本結(jié)構(gòu)圖

圖3 Cyclone II系列I/O端口簡(jiǎn)圖

FPGA是一種功能可變的器件，下載的代碼決定了它最終的作用，在上電運(yùn)行時(shí)，那些特殊的代碼數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)配置的SDRAM上，如圖4所示。FPGA斷開電源后會(huì)丟掉之前寫入的邏輯信息，現(xiàn)實(shí)使用須為FPGA芯片配置一個(gè)專門的ROM。

圖4 SDRAM連接電路圖

3.2 電源電路的設(shè)計(jì)

多電源供電是FPGA系統(tǒng)的特點(diǎn)，以Cyclone II系列芯片構(gòu)成的FPGA最小系統(tǒng)為例，NIOS II內(nèi)核電壓3.3V，外圍輸入/輸出電壓為1.2V，F(xiàn)PGA的外圍電壓分別為3.3V、1.2V，Altera公司沒有為其設(shè)計(jì)專用的電源芯片，電源電路設(shè)計(jì)較為靈活。本文選擇的AMS1117為其轉(zhuǎn)換電壓，這是一種正向低壓降穩(wěn)壓器，它的漏失電壓非常低，工作溫度范圍是-40°C～125°C；另外它的內(nèi)部集成了特殊的保護(hù)電路，是電源設(shè)計(jì)的最佳選擇，電源電路如圖5所示。

圖5 +3.3V、+1.2V電源電路

3.3 LED顯示模塊

LED顯示模塊是顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要界面部分，是顯示內(nèi)容的主要顯示平臺(tái)。該模塊在主要包括LED特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和原理的簡(jiǎn)單介紹，還有電路圖及硬件連接方式的設(shè)計(jì)。

3.4 電機(jī)的選型

考慮到設(shè)計(jì)是旋轉(zhuǎn)顯示屏，需要電機(jī)有很高的轉(zhuǎn)速，并且要滿足簡(jiǎn)便、低成本和方便驗(yàn)證等要求，所以選擇價(jià)格低廉的Rf370CA-15370型號(hào)直流電動(dòng)機(jī)。該型號(hào)電機(jī)大概重51g，電壓工作范圍是3-12V，額定工作電壓12V，無(wú)負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速是5600r/min，電流是0.026A；在最大效率時(shí)的轉(zhuǎn)速為4840r/min，電流0.17A，輸出功率是1.25W；堵轉(zhuǎn)時(shí)的電流是1.06A。綜合考慮本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，該款電動(dòng)機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)所用電機(jī)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 Rf370電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖

3.5 電源模塊及紅外對(duì)管檢測(cè)模塊

檢測(cè)觸發(fā)有各種方式：機(jī)械檢測(cè)、紅外光電檢測(cè)、磁電檢測(cè)。但是機(jī)械觸發(fā)缺點(diǎn)噪音大、精度低、易磨損；紅外光電觸發(fā)無(wú)噪聲、精度較高且無(wú)機(jī)械損耗，故本設(shè)計(jì)采用紅外光電檢測(cè)方式。采用紅外對(duì)管來檢測(cè)顯示開始的位置，接收到紅外信號(hào)后，將譯碼成控制信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)切換，信息讀取、存入、更新等。

電源模塊為FPGA主控的旋轉(zhuǎn)LED顯示系統(tǒng)提供動(dòng)力源，為各模塊提供電源，尤其是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和旋轉(zhuǎn)臂上LED顯示部分。機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂部分的供電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是沒有直接接觸的，所以系統(tǒng)供電電源分為兩部分—靜止供電部分和旋轉(zhuǎn)（無(wú)線）供電部分：靜止部分主要包含USB供電+5V接口、高頻自激振蕩電路，旋轉(zhuǎn)部分主要包含接收線圈和整流穩(wěn)壓濾波電路。

小結(jié)：本文主要介紹了旋轉(zhuǎn)LED顯示系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)方案，對(duì)FPGA控制模塊、LED顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外對(duì)管檢測(cè)模塊、電源模塊等的功能和核心器件進(jìn)行了詳細(xì)說明，在硬件理論方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。