基于單片機和FPGA的LED顯示屏設計

中圖分類號：TN873 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0021-04

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.006

0 引言

LED顯示屏憑借其清晰度和色彩還原度高、視角廣、運行穩定性強、使用壽命長、能耗低等顯著優勢[-3]，已成為顯示技術領域公認的下一代核心發展方向[4-5]。該技術通過模塊化設計實現了從室內到室外的多場景應用覆蓋，在演唱會舞臺視覺呈現、商業綜合體數字廣告、體育賽事實時播報、展覽館交互式信息展示等場景中，為動態影像、圖形化界面及多媒體內容的可視化傳播提供了可靠載體[67]。本文設計了一種結合單片機和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。

1 LED顯示屏系統結構

本設計主要由單片機主控制板和含FPGA控制板的8塊LED顯示板兩部分構成，如圖1所示。單片機主控制板主要通過外部PC的RS232通信總線進行程序下載，同時向LED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中有 1～8 號八個LED顯示板，每個板子都包含rst、clk、fp、bank、data五個信號。其中，rst是復位信號，用于初始化重置顯示板；clk是時鐘信號，用于同步數據傳輸；fp是幀脈沖，用于指示一幀數據的開始；bank用于面切換，用于指示面顯示信號；data是串行數據，包含要顯示的數據信息。這些信號都是控制LED顯示的關鍵。首先，信號是從單片機主控制板發出的，最先到1號板，然后依次傳遞到2號、3號直到8號板，每個后續的板子都接收前一個板子的信號。然后，每個LED顯示板上的FPGA會處理這些串行信號，轉換成16位并行數據，再發送給LED點陣模塊顯示。

2 單片機控制系統設計

2.1 單片機控制系統

本系統單片機控制的主要功能是進行程序設計，實現數據的采集、處理與發送，以此來控制LED燈的亮滅，從而實現各種數字、圖像、符號和文字的動靜態顯示。圖2為單片機控制系統框圖，包含了2個外部模塊和6個內部模塊，外部模塊包含：PC計算機模塊和LED顯示屏模塊。PC計算機用于編程、調試和下載程序；LED顯示屏用于接收和解析單片機發出的控制和數據信號，并進行顯示。內部模塊包含：接收處理、計時器中斷操作、初始化、EEPROM、命令緩沖區和命令解析處理6個模塊。接收處理模塊用于接收計算機進來的程序，計時器中斷模塊用于計時器中斷操作產生NAK信號，初始化模塊用于初始化單片機內部存儲器的初始數據，EEPROM模塊用于存儲單片機程序，命令緩沖區模塊用于緩存LED顯示屏的數據和指令，命令解析處理模塊用于解析LED顯示屏的顯示命令，如靜態顯示、閃爍顯示、左右滾動顯示和上下滾動顯示等。單片機的控制模塊經過算法處理生成LED點陣所需的控制和數據信號，并在系統里產生有行同步和面同步信號，具有同步糾錯功能。如果數據時鐘受到干擾出現錯誤，系統會在下一行或下一面恢復同步，保證了系統的可靠性和穩定性。

2.2 單片機控制板的測試

單片機控制板產生的LED點陣控制和數據信號，如圖2所示，包含復位信號（rst）、晶振時鐘信號（sclk）、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），其仿真波形如圖3所示。sclk為石英晶振時鐘， N 個晶振時鐘產成一個數據時鐘clk，一個數據時鐘發送一位數據。fp為幀脈沖信號，128個clk完成一幀，每完成一幀產生一個fp的高電平。32幀之后形成一個面數據，觸發bank面信號，進行面切換。所以，1面數據 =128 （位） ×32 （行） Σ=Σ4096位。32行數據包含16行紅色和16行綠色的數據，一行紅色和一行綠色的發光二極管合成一行雙基色橙色的發光二極管。由圖3可見，測試結果滿足設計要求。

3 LED顯示板的設計

本設計中的LED顯示屏由8塊組成，每塊為 16× 16點陣，每個像素由紅綠兩個發光二極管組成，所以每塊的實際數據為 16×16×2 位，塊與塊之間的信號以串行方式連接。每塊顯示屏的主要器件是FLEX10K系列中FPGA芯片FLEX10KTC144.FLEX10-KTC144允許用戶設置RAM，RAM設置為64字，每字16位，可以存放兩面數據，一面用于讀，一面用于寫。讀寫出現沖突時采用寫優先原則。芯片應用程序編程，從而具有存儲、判斷、變換、傳輸數據的功能，實現了在LED顯示屏上顯示數字、大小寫字母、漢字、圖像等數據。

3.1 LED顯示板硬件電路

圖4為本系統LED顯示板硬件電路圖。系統選用Altera公司EPF10K10TC144-4型FPGA作為核心控制單元，該芯片配合EPC2LC20非易失性存儲器實現程序存儲功能。系統包含8組級聯式雙基色顯示單元，每組顯示單元由以下核心模塊構成：在信號處理架構方面，前端采用兩片74HC244高速緩沖器（U1、U2）實現信號調理功能，主控FPGA（U3）負責執行串并轉換與顯示控制算法。驅動電路采用UMB3NTN和2SD2153T100型達林頓管驅動LED點陣顯示。顯示模塊采用HBK-2569MDO10型雙基色模，通過U5、U6兩個 16×8 點陣單元組合形成 16×16 顯示矩陣。每個像素點集成紅綠雙色LED管芯，通過獨立控制實現綠色、紅色單色顯示，或通過混色疊加生成橙色。系統采用分布式級聯架構，8組顯示單元通過四線制總線（時鐘、幀同步、面切換、數據及復位信號）進行串聯通信。信號流經單片機主控板后，依次經過1#～8#顯示單元形成級聯電路。

各單元內部處理機制包含：FPGA實時接收串行數據并寫入緩存，經時序解析后并行輸出16位紅色、綠色數據總線（R[1-16]）、G[1-6]）及16路共陰/陽選通信號（C[1-16]），最終實現動態掃描顯示。該設計方案通過FPGA的可重構特性實現了顯示時序的靈活配置，分布式架構確保了大規模點陣系統的擴展能力，多級驅動方案有效滿足了LED陣列的電流承載需求。各顯示單元采用統一硬件設計，通過地址譯碼實現差異化數據顯示，顯著提升了系統穩定性和維護便利性。

3.2 LED顯示板內部邏輯控制設計

圖5為LED顯示板內部邏輯控制框圖，該系統按功能包含以下幾個模塊：輸入接口部、存儲器寫入控制部、動態控制部。輸入接口部的作用是獲取來自單片機的數據時鐘信號、幀信號和面信號，并將數據由串行變換成并行。存儲器寫入控制部通過來自輸入接口部的時間信號，控制向存儲器的數據寫入。動態控制部讀取來自存儲器寫入控制部的數據，經過處理生成三個16路的LED點陣控制信號，紅色數據信號reddata[15：0]，綠色數據信號greendata[15：0]，公共選通信號com-drv[15：0]。以上48路信號用于驅動LED點陣動態顯示。

圖6為LED顯示板輸入輸出波形圖。rst為復位信號；sclk為石英晶振產生的時鐘信號；clkb為數據時鐘信號；fp_b為幀信號；bank_b為面信號；red_data為紅色的數據信號，green_data為綠色的數據信號，當紅色和綠色的信號同時加在發光二極管上時，管子呈現橙色；comdrv為二極管的公共選通信號，用于從第1行、第2行直到第16行依次動態點亮16行的發光二極管。由圖可見，數據由輸入的串行信號變換成了16位的并行數據信號，com_drv動態掃面信號位0001、0002、0004、0008等，能夠依次掃描二極管，因此經過FPGA變換后，輸出信號正確。

4 LED顯示屏的實驗測試

圖7展示了LED顯示屏的試驗裝置與測試結果。測試設備由LED矩陣屏和單片機控制板組成。測試結果表明，該顯示模塊能夠穩定地呈現光效，完整實現了LED顯示屏的矩陣顯示功能。

在實際應用層面，屏幕可根據需求切換靜態/動態顯示模式，兼容數字、文字、特殊符號及圖像內容輸出。動態模式下更具備多向滾動功能，包含閃爍、上翻、下移、左移、右移等多樣化呈現方式，充分展現了顯示系統的智能操控性與場景適應能力。

5 結束語

本設計基于單片機和FPGA的協同工作，實現了LED動態圖文系統。其中單片機控制模塊負責生成控制信號和顯示數據信號，通過算法控制實現高精度的信號輸出，確保顯示效果的穩定性，支持亮度自動調整和畫面切換功能。FPGA可編程邏輯器件負責顯示信號的處理，具有靈活、高效和可重構等優點。FPGA內部搭建邏輯功能模塊，進行信號收集、存儲，并將串行信號轉換為并行信號輸出給LED點陣，支持文字、數字、符號、圖片等信息的多種顯示方式，如靜態顯示、上下左右移動動態顯示。系統具備高精度控制、強穩定性、低成本等優點。通過單片機的控制算法和FPGA的邏輯處理，系統能靈活變換顯示內容和方式，滿足多種應用場景的需求，可用于商場、車站、廣場等公共場所的廣告牌，支持動態圖文顯示，吸引觀眾注意力，尤其是在廣告、信息發布、工業控制、教育培訓等領域具有較大的市場需求。同時，該系統在成本、性能和靈活性方面的優勢將助力其在市場中占據一席之地。

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