FPGA控制旋轉LED顯示系統

新疆工程學院 王斌虎

旋轉LED顯示系統是近幾年發展起來的新型電子產物，因其獨特的顯示方式和別具一格的顯示效果以及低功耗、高效率的特點贏得了廣闊的市場發展空間。本文是以Altera公司Cyclone II系列的FPGA（EP2C8Q208C8N）芯片為主控高速處理器，通過無刷直流電動機的高速旋轉帶動LED顯示屏動作，通過主副線圈電磁耦合感應給旋轉部分供電，采用紅外收發管的檢測配合主控器的處理實現旋轉顯示內容位置的穩定，用硬件描述語言語言（Veirilog HDL）實現控制代碼的編寫，借助視覺暫留效應來實現顯示系統的設計，最后進行組合調試。

1 本文的目的及意義

隨著LED器件性能不斷提高，傳統的LED字屏價格高昂、放置位置固定、不易挪動、互動性不強，顯得十分不便。因此，具有設計簡單、攜帶便利、變換內容信息容量大等優點的—旋轉LED顯示，具有十分重要的意義。

2 發展現狀

LED顯示屏作為新型的顯示器件出現在各樣LED項目中，國內LED企業承擔了工程項目的主體部分，供應了大批的LED產品，這也表明了LED顯示屏行業未來的趨勢。伴著LED高性能材料的逐步開發，更新穎的LED顯示屏也漸漸浮現，因此旋轉LED顯示屏也會得到普及，它的誕生必將服務于人類生活。

3 主要內容

本文主要針對硬件結構進行設計，一款以Altera公司Cyclone II系列FPGA為核心控制器的旋轉LED顯示系統。利用FPGA主控芯輸出端口輸出高低電平驅動LED燈的亮滅，通過Rf370電動機的高速旋轉帶動LED旋轉臂轉動，加上紅外對管位置檢測確定顯示，最后利用人眼視覺暫留效應顯示出預期的文字和圖案。路給系統供電，對旋轉部分實現無接觸供電，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

3.1 FPGA控制模塊

Cyclone款產品是Altera公司系列產品中成本最低、性價比最高，內部大概結構如圖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（PLL）和可編程內部連線陣列。

圖2 Cyclone ll系列FPGA基本結構圖

圖3 Cyclone II系列I/O端口簡圖

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，在上電運行時，那些特殊的代碼數據保存在系統配置的SDRAM上，如圖4所示。FPGA斷開電源后會丟掉之前寫入的邏輯信息，現實使用須為FPGA芯片配置一個專門的ROM。

圖4 SDRAM連接電路圖

3.2 電源電路的設計

多電源供電是FPGA系統的特點，以Cyclone II系列芯片構成的FPGA最小系統為例，NIOS II內核電壓3.3V，外圍輸入/輸出電壓為1.2V，FPGA的外圍電壓分別為3.3V、1.2V，Altera公司沒有為其設計專用的電源芯片，電源電路設計較為靈活。本文選擇的AMS1117為其轉換電壓，這是一種正向低壓降穩壓器，它的漏失電壓非常低，工作溫度范圍是-40°C～125°C；另外它的內部集成了特殊的保護電路，是電源設計的最佳選擇，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設計的主要界面部分，是顯示內容的主要顯示平臺。該模塊在主要包括LED特點、結構和原理的簡單介紹，還有電路圖及硬件連接方式的設計。

3.4 電機的選型

考慮到設計是旋轉顯示屏，需要電機有很高的轉速，并且要滿足簡便、低成本和方便驗證等要求，所以選擇價格低廉的Rf370CA-15370型號直流電動機。該型號電機大概重51g，電壓工作范圍是3-12V，額定工作電壓12V，無負載時的轉速是5600r/min，電流是0.026A；在最大效率時的轉速為4840r/min，電流0.17A，輸出功率是1.25W；堵轉時的電流是1.06A。綜合考慮本設計的設計要求，該款電動機完全滿足設計需要，設計所用電機實物圖如圖6所示。

圖6 Rf370電動機實物圖

3.5 電源模塊及紅外對管檢測模塊

檢測觸發有各種方式：機械檢測、紅外光電檢測、磁電檢測。但是機械觸發缺點噪音大、精度低、易磨損；紅外光電觸發無噪聲、精度較高且無機械損耗，故本設計采用紅外光電檢測方式。采用紅外對管來檢測顯示開始的位置，接收到紅外信號后，將譯碼成控制信號，整個系統狀態切換，信息讀取、存入、更新等。

電源模塊為FPGA主控的旋轉LED顯示系統提供動力源，為各模塊提供電源，尤其是電機驅動模塊和旋轉臂上LED顯示部分。機械旋轉臂部分的供電和電機驅動部分是沒有直接接觸的，所以系統供電電源分為兩部分—靜止供電部分和旋轉（無線）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，旋轉部分主要包含接收線圈和整流穩壓濾波電路。

小結：本文主要介紹了旋轉LED顯示系統整體硬件設計方案，對FPGA控制模塊、LED顯示模塊、電機驅動模塊、紅外對管檢測模塊、電源模塊等的功能和核心器件進行了詳細說明，在硬件理論方面實現了對LED顯示系統的設計。