基于單片機(jī)和FPGA的LED顯示屏設(shè)計

中圖分類號：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)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(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長、能耗低等顯著優(yōu)勢[-3]，已成為顯示技術(shù)領(lǐng)域公認(rèn)的下一代核心發(fā)展方向[4-5]。該技術(shù)通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)了從室內(nèi)到室外的多場景應(yīng)用覆蓋，在演唱會舞臺視覺呈現(xiàn)、商業(yè)綜合體數(shù)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(tài)影像、圖形化界面及多媒體內(nèi)容的可視化傳播提供了可靠載體[67]。本文設(shè)計了一種結(jié)合單片機(jī)和FPGA控制器的LED顯示屏控制方案，實現(xiàn)了具有高刷新率的三基色LED顯示控制系統(tǒng)。

1 LED顯示屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計主要由單片機(jī)主控制板和含F(xiàn)PGA控制板的8塊LED顯示板兩部分構(gòu)成，如圖1所示。單片機(jī)主控制板主要通過外部PC的RS232通信總線進(jìn)行程序下載，同時向LED顯示板發(fā)出控制和數(shù)據(jù)信號。顯示板通過接收數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)位信號，用于初始化重置顯示板；clk是時鐘信號，用于同步數(shù)據(jù)傳輸；fp是幀脈沖，用于指示一幀數(shù)據(jù)的開始；bank用于面切換，用于指示面顯示信號；data是串行數(shù)據(jù)，包含要顯示的數(shù)據(jù)信息。這些信號都是控制LED顯示的關(guān)鍵。首先，信號是從單片機(jī)主控制板發(fā)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(xù)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(zhuǎn)換成16位并行數(shù)據(jù)，再發(fā)送給LED點陣模塊顯示。

2 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)單片機(jī)控制的主要功能是進(jìn)行程序設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與發(fā)送，以此來控制LED燈的亮滅，從而實現(xiàn)各種數(shù)字、圖像、符號和文字的動靜態(tài)顯示。圖2為單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖，包含了2個外部模塊和6個內(nèi)部模塊，外部模塊包含：PC計算機(jī)模塊和LED顯示屏模塊。PC計算機(jī)用于編程、調(diào)試和下載程序；LED顯示屏用于接收和解析單片機(jī)發(fā)出的控制和數(shù)據(jù)信號，并進(jìn)行顯示。內(nèi)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(qū)和命令解析處理6個模塊。接收處理模塊用于接收計算機(jī)進(jìn)來的程序，計時器中斷模塊用于計時器中斷操作產(chǎn)生NAK信號，初始化模塊用于初始化單片機(jī)內(nèi)部存儲器的初始數(shù)據(jù)，EEPROM模塊用于存儲單片機(jī)程序，命令緩沖區(qū)模塊用于緩存LED顯示屏的數(shù)據(jù)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(tài)顯示、閃爍顯示、左右滾動顯示和上下滾動顯示等。單片機(jī)的控制模塊經(jīng)過算法處理生成LED點陣所需的控制和數(shù)據(jù)信號，并在系統(tǒng)里產(chǎn)生有行同步和面同步信號，具有同步糾錯功能。如果數(shù)據(jù)時鐘受到干擾出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)會在下一行或下一面恢復(fù)同步，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 單片機(jī)控制板的測試

單片機(jī)控制板產(chǎn)生的LED點陣控制和數(shù)據(jù)信號，如圖2所示，包含復(fù)位信號（rst）、晶振時鐘信號（sclk）、數(shù)據(jù)時鐘信號（clk）、幀脈沖信號（fp）、面切換信號（bank）、串行數(shù)據(jù)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(chǎn)成一個數(shù)據(jù)時鐘clk，一個數(shù)據(jù)時鐘發(fā)送一位數(shù)據(jù)。fp為幀脈沖信號，128個clk完成一幀，每完成一幀產(chǎn)生一個fp的高電平。32幀之后形成一個面數(shù)據(jù)，觸發(fā)bank面信號，進(jìn)行面切換。所以，1面數(shù)據(jù) =128 （位） ×32 （行） Σ=Σ4096位。32行數(shù)據(jù)包含16行紅色和16行綠色的數(shù)據(jù)，一行紅色和一行綠色的發(fā)光二極管合成一行雙基色橙色的發(fā)光二極管。由圖3可見，測試結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3 LED顯示板的設(shè)計

本設(shè)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(fā)光二極管組成，所以每塊的實際數(shù)據(jù)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F(xiàn)LEX10KTC144.FLEX10-KTC144允許用戶設(shè)置RAM，RAM設(shè)置為64字，每字16位，可以存放兩面數(shù)據(jù)，一面用于讀，一面用于寫。讀寫出現(xiàn)沖突時采用寫優(yōu)先原則。芯片應(yīng)用程序編程，從而具有存儲、判斷、變換、傳輸數(shù)據(jù)的功能，實現(xiàn)了在LED顯示屏上顯示數(shù)字、大小寫字母、漢字、圖像等數(shù)據(jù)。

3.1 LED顯示板硬件電路

圖4為本系統(tǒng)LED顯示板硬件電路圖。系統(tǒng)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(xiàn)程序存儲功能。系統(tǒng)包含8組級聯(lián)式雙基色顯示單元，每組顯示單元由以下核心模塊構(gòu)成：在信號處理架構(gòu)方面，前端采用兩片74HC244高速緩沖器（U1、U2）實現(xiàn)信號調(diào)理功能，主控FPGA（U3）負(fù)責(zé)執(zhí)行串并轉(zhuǎn)換與顯示控制算法。驅(qū)動電路采用UMB3NTN和2SD2153T100型達(dá)林頓管驅(qū)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(xiàn)綠色、紅色單色顯示，或通過混色疊加生成橙色。系統(tǒng)采用分布式級聯(lián)架構(gòu)，8組顯示單元通過四線制總線（時鐘、幀同步、面切換、數(shù)據(jù)及復(fù)位信號）進(jìn)行串聯(lián)通信。信號流經(jīng)單片機(jī)主控板后，依次經(jīng)過1#～8#顯示單元形成級聯(lián)電路。

各單元內(nèi)部處理機(jī)制包含：FPGA實時接收串行數(shù)據(jù)并寫入緩存，經(jīng)時序解析后并行輸出16位紅色、綠色數(shù)據(jù)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(xiàn)動態(tài)掃描顯示。該設(shè)計方案通過FPGA的可重構(gòu)特性實現(xiàn)了顯示時序的靈活配置，分布式架構(gòu)確保了大規(guī)模點陣系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，多級驅(qū)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(tǒng)一硬件設(shè)計，通過地址譯碼實現(xiàn)差異化數(shù)據(jù)顯示，顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和維護(hù)便利性。

3.2 LED顯示板內(nèi)部邏輯控制設(shè)計

圖5為LED顯示板內(nèi)部邏輯控制框圖，該系統(tǒng)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(tài)控制部。輸入接口部的作用是獲取來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)時鐘信號、幀信號和面信號，并將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寫入。動態(tài)控制部讀取來自存儲器寫入控制部的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理生成三個16路的LED點陣控制信號，紅色數(shù)據(jù)信號reddata[15：0]，綠色數(shù)據(jù)信號greendata[15：0]，公共選通信號com-drv[15：0]。以上48路信號用于驅(qū)動LED點陣動態(tài)顯示。

圖6為LED顯示板輸入輸出波形圖。rst為復(fù)位信號；sclk為石英晶振產(chǎn)生的時鐘信號；clkb為數(shù)據(jù)時鐘信號；fp_b為幀信號；bank_b為面信號；red_data為紅色的數(shù)據(jù)信號，green_data為綠色的數(shù)據(jù)信號，當(dāng)紅色和綠色的信號同時加在發(fā)光二極管上時，管子呈現(xiàn)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(tài)點亮16行的發(fā)光二極管。由圖可見，數(shù)據(jù)由輸入的串行信號變換成了16位的并行數(shù)據(jù)信號，com_drv動態(tài)掃面信號位0001、0002、0004、0008等，能夠依次掃描二極管，因此經(jīng)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(jié)果。測試設(shè)備由LED矩陣屏和單片機(jī)控制板組成。測試結(jié)果表明，該顯示模塊能夠穩(wěn)定地呈現(xiàn)光效，完整實現(xiàn)了LED顯示屏的矩陣顯示功能。

在實際應(yīng)用層面，屏幕可根據(jù)需求切換靜態(tài)/動態(tài)顯示模式，兼容數(shù)字、文字、特殊符號及圖像內(nèi)容輸出。動態(tài)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(xiàn)方式，充分展現(xiàn)了顯示系統(tǒng)的智能操控性與場景適應(yīng)能力。

5 結(jié)束語

本設(shè)計基于單片機(jī)和FPGA的協(xié)同工作，實現(xiàn)了LED動態(tài)圖文系統(tǒng)。其中單片機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)生成控制信號和顯示數(shù)據(jù)信號，通過算法控制實現(xiàn)高精度的信號輸出，確保顯示效果的穩(wěn)定性，支持亮度自動調(diào)整和畫面切換功能。FPGA可編程邏輯器件負(fù)責(zé)顯示信號的處理，具有靈活、高效和可重構(gòu)等優(yōu)點。FPGA內(nèi)部搭建邏輯功能模塊，進(jìn)行信號收集、存儲，并將串行信號轉(zhuǎn)換為并行信號輸出給LED點陣，支持文字、數(shù)字、符號、圖片等信息的多種顯示方式，如靜態(tài)顯示、上下左右移動動態(tài)顯示。系統(tǒng)具備高精度控制、強(qiáng)穩(wěn)定性、低成本等優(yōu)點。通過單片機(jī)的控制算法和FPGA的邏輯處理，系統(tǒng)能靈活變換顯示內(nèi)容和方式，滿足多種應(yīng)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(tài)圖文顯示，吸引觀眾注意力，尤其是在廣告、信息發(fā)布、工業(yè)控制、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域具有較大的市場需求。同時，該系統(tǒng)在成本、性能和靈活性方面的優(yōu)勢將助力其在市場中占據(jù)一席之地。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王景軍.一種節(jié)能型LED顯示屏動態(tài)掃描方法及系統(tǒng)應(yīng)用[J].中國集成電路，2021，30（8）：59-62.

[2]王虹，龐姣，梁曉琳.基于點陣顯示屏的單片機(jī)原理綜合實驗[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（12）：20-22.

[3]黃圓娥.基于單片機(jī)的LED顯示屏控制電路設(shè)計[J].電子制作，2023，31（10）：83-85.

[4]倪麗惠.GPRS與STC單片機(jī)的LED顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2021（21）：174-175.

[5]張芳，樊柯.LED顯示屏集成控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢探討[J].電子制作，2019（2）：88-89.

[6]夏建雄，陳海燕.基于FPGA的LED屏控制器設(shè)計[J].液晶與顯示，2015，30（5）：838-843.

[7]單威武.基于FPGA的LED全彩顯示控制系統(tǒng)設(shè)計[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2019.