三基色LED顯示屏的設計與實現

摘" 要：LED顯示屏因其低成本、高亮度、易維護等優勢，逐漸成為主流的大型顯示設備。文章描述了運用單片機H8/3048和FPGA芯片EPF10K10TC144-4作為主控制器件的LED顯示屏設計方案，該方案運用單片機進行算法控制產生顯示的數據信號和同步的控制信號。同時，運用FPGA搭建邏輯功能模塊，用于接收信號，存儲信號，將信號從串行輸入變換成并行輸出，再將信號傳遞給三極管功率驅動器件和LED顯示屏，從而生成可靜止、可上下左右移動顯示的性能穩定的綠色、紅色和橙色的三基色LED顯示屏。

關鍵詞：單片機；FPGA；三基色；LED顯示屏

中國分類號：TN873" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）21-0016-04

Design and Implementation of Three Primary Color LED Display Screen

TANG Meiling， WANG Xiaobing， LIN Bizhong

（Hangzhou Wanxiang Polytechnic， Hangzhou" 310023， China）

Abstract： LED display screens have gradually become mainstream large-scale display devices due to their advantages of low cost， high brightness， and easy maintenance. This paper describes a design scheme for an LED display screen using single-chip microcomputer H8/3048 and FPGA chip EPF10K10TC144-4 as the main control devices. The scheme uses a single-chip microcomputer for algorithm control to generate displayed data signals and synchronous control signals. At the same time， FPGA is used to build logic function modules for receiving signals， storing signals， converting signals from serial input to parallel output， and then transmitting the signals to triode power driving devices and LED display screens， thereby generating green， red， and orange three primary color LED display screens with stable performance that can be stationary and move vertically and horizontally.

Keywords： Single-chip Microcomputer; FPGA; three primary color; LED display screen

0" 引" 言

科學技術水平的提升，推動了發光二極管（LED）制造工藝進步，不同顏色的發光二極管的光效、色差等均得到改善[1-3]。與目前主流的LCD和OLED顯示技術相比，LED顯示技術擁有響應速度快、視角大、亮度高、壽命長、色彩表現力好等優點，被公認為是未來最具成長潛力的新興顯示技術方向[4]。LED電子顯示屏是利用發光二極管構成的點陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，能夠顯示數字、符號、圖像、視頻[5-7]，還能夠通過紅綠藍三種LED組合成任一顏色系統，具有高清晰度、色彩鮮艷、視角大、工作穩定、壽命長、功耗低等優點，廣泛應用各種場合，如演唱會、舞臺劇、展覽展示、商場廣告、體育比賽等，為活動、演出、會議和展覽等場合等室內外文字、圖形、圖像以及視頻的顯示[8-9]。伴隨著信息產業的快速發展，LED顯示屏成為各行各業重要的信息傳遞工具。LED巨大的市場使得它將成為一個龐大的產業[10-11]。本文給出了一種基于單片機和FPGA控制器的LED顯示屏控制方案，實現了具有高刷新率的三基色LED顯示控制系統。下面以Renesas公司推出H8/3048單片機和Altera公司推出的EPF10K10TC144-4的FPGA為例，詳細的介紹了LED顯示屏的軟硬件設計方案。

1" LED顯示屏整體結構

本系統由單片機主控制板、FPGA控制的LED顯示板和開關電源三部分構成，其結構示意圖如圖1所示。電源接收220 V，50 Hz的工頻交流電，經過降壓、整流、濾波和穩壓轉換，產生+5 V，2 A的直流電供給單片機、LED顯示板和驅動電路使用。單片機主控制板和外部PC通過RS232通信總線進行數據交換，同時向顯示板發出控制和數據信號。顯示板通過接收數據進行處理和變換，控制矩陣LED點陣的顯示。圖1中1#至8#都包含數據時鐘信號（Clk）、幀脈沖信號（Fp）、面切換信號（Bank）、串行數據信號（Data）、復位信號（Rst），其中1#處的串行控制信號和數據信號來自主控制板的輸出，2#處的信號來自LED顯示板1#的輸出，3#處的信號來自LED顯示板2#的輸出，依次傳遞。串行顯示數據信號在傳給LED顯示板后經過FPGA的邏輯變換控制以16位并行數據的方式發送給LED模塊進行顯示。

2" 電源的設計

2.1" 電源的設計

電源相當于是系統的心臟，給系統提供能量，其性能是保證系統穩定運行的前提，本電源采用傳統的交直交電源模式設計出性能穩定的電源。電源主要由降壓變壓器、整流橋、濾波電路和穩壓電源變換電路四部分組成，如圖2所示。降壓變壓器接收220 V，50 Hz的工頻交流電變換成低壓交流電（AC-AC）。整流利用二極管的單相導電性將交流電整流成脈動直流電（AC-DC）。濾波電路由大電容濾除高頻雜波。穩壓電源變換電路由MC34063變換器進行降壓、穩壓變換產生+5 V，2 A的直流電源。其中，MC34063變換電路中采樣MOS管IRF9530進行電流放大，同時MC34063變換器實現了電源的高頻化，進而減輕了電源的體積和重量。該電源用于給單片機主控制板、LED顯示板1～8號提供穩定的+5 V，2 A的直流電源。

2.2" 電源的測試

電源測試結果如圖3所示。當圖2中濾波器的輸出電壓V1 為16 V、20 V和26 V時，電源輸出的直流電壓V0隨著負載電流的增大變化的波形如圖3（a）所示。由圖可知，當負載電流增大至3 A左右時，此時電源輸出超載運行，輸出電源電壓開始明顯下降，此時系統不能穩定運行。而當輸出電流小于3 A時，電源電壓在5 V基本穩定，此時電源能夠穩定帶動負載運行。圖3（b）可知，當負載電阻為5 Ω，10 Ω，15 Ω時，電壓輸出的紋波均不超過2.5%，其精度超過97.5%，性能很好。本電源的負載電流要求為5 V，2 A，紋波小于5%。因此，因此電源設計滿足系統要求。

3" 單片機控制板的設計

3.1" 單片機控制板的設計

由于單片機具有控制精度高、穩定性好、成本低等優點，被廣泛應用于各種自動化控制系統中。LED顯示屏一般是以單片機為核心芯片控制顯示行驅動器和顯示列驅動器來驅動顯示屏顯示。顯示的掃描采用逐行動態掃描的方式，使得數字、符號、圖形、文字燈信息能夠實現靜止、移入移出等多種顯示方式。用C語言進行編程，通過編程控制各顯示點對應LED陽極和陰極端的電平，就可以有效的控制各顯示點的亮滅。這樣的產品成本低、設計方便，比較適用于較簡單的LED顯示屏的實現。

本文主控制板應用Renesas公司的H8/3048單片機芯片進行編程設計，利用單片機控制算法產生產生時鐘信號（Clk）、幀脈沖信號（Fp）、面切換信號（Bank）、串行數據信號（Data）。圖4為單片機軟件控制功能流程圖，其中初始化用于清除單片機內部存儲器的初始數據，計時器操作應用計時器中斷操作控制產生NAK、ACK信號，Xmodem數據包信號和EOT信號。而命令解析則根據命令的含義處理數據，生產對應的時鐘信號（Clk）、幀脈沖信號（Fp）、面切換信號（Bank）、串行數據信號（Data）。

3.2" 單片機控制板的測試

單片機控制板的設計是為了產生LED點陣現實控制信號和數據信號，包含時鐘信號（Clk）、幀脈沖信號（Fp）、面切換信號（Bank）、串行數據信號（Data）。其波形測試如圖5所示，Sclk為晶振時鐘，Clk為數據時鐘，每一個時鐘發一位數據，Fp為幀脈沖信號，Bank為面信號。其中，1幀數據 = 16（點）×8（塊） = 128位，16的意思是每塊板子一行數據是16位，8指的是有8塊LED板。1面數據 = 256（位）×16（行） = 4 096位，256是指8塊面板一行數據同時有兩種顏色。4 096（位）÷128（位／幀） = 32（幀）。測試結果如圖4所示，由圖可知，N個晶振時鐘Sclk產生1個數據時鐘Clk，一個數據時鐘發一位數據，128個數據時鐘傳遞了128為數據，然后產生一個幀信號高電平Fp，32幀數據即為16幀橙色和16幀綠色，形成一面數據，一面數據一個Bank面信號，信號和設計要求符合。

4" LED顯示板的設計

FPGA可編程邏輯器件具有高速、靈活、可重構等優點，本文采用Altera公司推出的FPGA芯片EPF10K10TC144-4作為信號接收芯片，進行數據接收和轉換處理，供給LED點陣進行顯示。圖6為1#LED顯示板的電路框圖。FPGA的程序存儲采用EPC2LC20存儲器芯片。雙基色LED顯示板包含8塊，每塊板是16乘16的LED點陣，每個LED點里面含兩種顏色的發光二極管，一種是綠色，另外一種是紅色，單個燈亮顯示各自的顏色，兩種顏色都亮顯示橙色，因此LED點陣模塊是雙基色的。其中1號板的電路框圖如下，包括：緩沖電路U1和U2選用74hc244，用于信號緩沖作用，主控FPGA芯片EPF10K10TC144-4，即U3用于信號接收轉換處理。三極管驅動放大電路分別采樣三極管型號UMB3NTN和三極管2SD2153T100，其作用是電流放大和驅動。LED點陣模塊HBK-2569MDO10，即U5和U6，分別為16乘8的LED雙基色模塊，兩塊板合成為16乘16的雙基色模塊。其他7塊板的電路和1號板的電路圖一樣。其中8塊板之間四路信號：時鐘信號（Clk）、幀脈沖信號（Fp）、面切換信號（Bank）、串行數據信號（Data）和Rst（復位信號）的傳輸路徑是，首先由單片機主控板傳遞給1號板，由1號板傳遞給2號板，由2號板傳遞給3號板，依次傳遞，直到7號板傳遞給8號板。每塊板之間的信號：時鐘信號（Clk）、幀脈沖信號（Fp）、面切換信號（Bank）、串行數據信號（Data），是串行的依次往后傳遞。串行信號進入LED顯示板后，FPGA將數據寫入存儲器，再通過控制將數據：紅色的數據R[1∶16]、綠色的數據G[1∶16]和共陰或者共陽選通信號C[1∶16]，并行地發出給LED點陣進行顯示。

5" 三基色LED顯示屏的實驗測試

圖7為三基色LED顯示屏的實驗裝置及實驗測試結果，實驗裝置包含電源，單片機控制板和LED點陣顯示板。根據圖示實驗測試結果可以看出，該顯示板可以顯示紅色、綠色和橙色三種顏色，實現了三基色LED點陣顯示。同時，根據場景的需要，顯示屏可以實現文字、數字、符號、圖片等的靜態和動態顯示，動態顯示可以向左移動，向右移動，向上移動和向下移動等，顯示靈活方便。

6" 結" 論

本設計利用單片機進行算法控制產生控制信號和顯示數據信號，具有控制精度高、穩定性好、成本低等優點。本設計的LED旋轉顯示圖文系統完全實現了圖文顯示，顯示亮度自動調整功能，及畫面切換功能。在圖文顯示過程中，單片機的控制算法、FPGA可編程邏輯器件的邏輯方式能夠根據需要變換顯示的信息以及顯示的方式。

同時，本設計應用FPGA可編程邏輯器件實現顯示信號的處理，它具有高速、靈活、可重構等優點。設計利用FPGA內部搭建邏輯功能模塊，進行信號收集，信號存儲，再將串行信號變換成并行信號輸出給LED點陣，能夠實現靈活變化的控制方式。

本設計實現了LED顯示屏的綠色、紅色和橙色三基色的顯示，同時也能根據場景需要實現屏幕的靜態顯示，動態顯示：向左向右移動，向上向下滾動顯示。能夠顯示數字、文字、字符、圖片等。可以廣泛應用在諸如顯示、通信、數據采集、圖像處理、電機控制等領域，具有廣闊的市場前景。同時，本系統也可以應用于學校對于單片機、FPGA和LED顯示屏的實訓項目訓練，產品功能多樣化，應用領域廣。

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作者簡介：唐美玲（1975—），女，漢族，四川資中人，副教授，博士，研究方向：電氣工程、電子信息。