嵌入式大屏幕LED显示屏的设计与实现

关键词： LED , 大屏幕 , 嵌入式 , 显示屏

1 引　言

LED显示屏的应用已经比较普遍,而且随着应用的普及,更多新式的LED显示屏会应用在更多的场合,所以研究嵌入式大屏幕点阵LED的显示很有实际意义。

但是现在市场上的多种LED显示屏在显示性能上良莠不齐,并且大多需要上位机对显示过程进行实时控制。本文提出一种优化的高性能高可靠性的嵌入式大屏幕LED显示系统,只需要用1片FPGA和2片SRAM就可以实现大屏幕LED显示的驱动和内容更换,可以说其性能已经大有改善。本设计可以应对多种大屏幕显示的场合。

2 系统硬件设计与实现

硬件连接的方式多种并且灵活,其连接方式直接影响到显示的性能。下面给出的硬件连接方式是最优的方式,能够达到高性能的显示,并且使软件编写变得简单。

每个8×8的LED点阵块称为最小模块。每16个8×8的LED点阵块为一个基模块,一个基模块横向有8个,纵向有2个最小模块,如图1所示。图中每个小方格代表一个最小模块。

每个最小模块控制信号为8个行信号H1～H8和8个数据信号R1～R8。行信号接一个38译码器74HC138的输出,他的输入为HangQ[2..0];而列信号给具体这一行的数据信号接的是一个74HC595的输出,如图2所示。

74HC595是移位锁存芯片,他内部有一个移位寄存器,还有一个数据移入引脚(DS)、一个数据移出引脚(Q8)、8个数据输出引脚(Q1～Q8),另外还有脉冲信号(CLK)和数据锁存信号(ST)。他的工作原理是当脉冲信号作用时将移入引脚的数据移入芯片内部的移位寄存器,当移满8位数据以后,第8位的数据就会出现在数据移出引脚上,再给一个脉冲信号,这一位数据就会被移出同时也有新的数据移入。当数据锁存信号有效时,芯片内部的的移位寄存器就将8位数据就锁存到8个数据输出引脚上,从而实现数据输出。

对于一个最小模块,当数据信号R有效后,时钟信号TSCK就将该数据移入74HC595的内部寄存器,内部寄存器的8位全部移满数据后,锁存信号TLOCK有效,就能将移满的数据全部送到8个数据信号R1～R8上。这个时候,再用HangQ[2..0]选中其中的某一行信号,行锁存信号TLEDEN有效后,就可以在这个8×8的点阵列上实现数据显示。因为在一个特定的时间只能在这个8×8的LED点阵块上显示其中的一行,所以将第一行到第8行依次循环显示,只要速度足够快,人眼看起来就是连续的。

对于一个基模块,因为每个最小模块都有一个74HC595移位锁存芯片,只要将各个最小模块的74HC595串联起来,也就是将前一个74HC595的数据移出引脚接到下一个74HC595的数据移入引脚上,而74HC595的脉冲信号和数据锁存信号都接同一个信号,就可以实现一个基模块的数据显示。与最小模块一样,在一个特定的时间只能显示基模块中的所有最小模块的某一行。只要在8行依次显示的过程中速度足够快,人眼就看不出闪烁。

这样就实现了上面16个基模块连在一起。数据及控制信号从右边进入,从左边输出。一个基模块为64×16的LED点阵块,本设计中的显示规模为512×512点阵,所以要将横向有8个,竖向有32个最小模块连接起来。而在实际的设计中分为上半屏和下半屏显示,分别为512×256。当数据装满上半屏后再装下半屏,数据锁存信号和行锁存信号最后给出,从而实现整屏的最小模块的某一行显示。当然要实现整屏数据的显示,只有循环显示整屏中最小模块的8行。

在上半屏显示中,又将其分为8个512×32的块,这样的块叫单独显示模块,也就是说将横向的2行基模块看成一个单独的模块并用单独的一组信号进行控制,上半屏就要8组信号控制。这8组信号除了数据信号R不同外,其他的信号都是一样的。也就是说,在上半屏显示中8条数据线同时给上半屏的8个单独显示模块串打数据,当然只是给单独显示模块中的最小模块的某一行打满数据,然后再给下半屏打入数据。所以下半屏的情况与上半屏基本一样,除了8组数据信号R不同外,还有时钟信号也不一样。输入数据时,上半屏的时钟信号首先有效,根据基模块的理论要输入2048个脉冲以后上半屏的数据才被灌满;然后下半屏的数据才有效,从而输入下半屏的数据,情况与上半屏完全一样。

在显示控制方面,使用一块ALTERA公司的FPGA芯片,型号为EPF10K20TC1444,另外还使用了2块SRAM芯片,每块的容量为128kB,他们都用来存放显示的数据(见图3)。

工作时,FPGA在一个特定的时间只从2块SRAM的其中一块取出显示的数据进行显示,而同时另外一块SRAM与MPU进行数据交换,MPU会写入新的数据,以便FPGA在下一个时间段显示这块SRAM的数据,以此交替的工作。如果显示的图像不改变,即一块SRAM里的数据不变时,MPU就不需要给另一块SRAM写数据,这时该嵌入式显示模块就可以独立于MPU工作。一帧的数据大小为32kB,远小于SRAM的容量,所以可以在编写程序的时候加入一些显示的技巧,比如从上往下显示等。

由以上所知,FPGA有2个基本作用,一个是从一块SRAM中取出数据并显示在显示屏上;另外一个是将MPU给的数据写到另一块SRAM中。

3 软件设计

软件设计要根据硬件的连接情况编写,主要分为显示部分和写RAM部分(见图4)。

在扫描显示中,首先上半屏的8组控制信号的时钟脉冲信号有效,并且在这个过程中,8组控制信号的数据信号R有效,所以就可以先将上半屏的8个单独显示模块中的最小模块的某一行灌满数据。然后用同样的方法将下半屏的8个单独显示模块中的最小模块的某一行灌满数据,当然上半屏和下半屏灌满的都是最小模块的相同的一行。最后数据锁存信号和行锁存信号有效,使其显示。在这个过程中要注意的是数据信号R,因为要显示整屏的数据,在软件编写的过程中要将某个位置显示的数据准确的显示在该位置,就要从内存中准确的取出这个数据。

每一帧显示的数据大小为32768B,对于2块RAM交替工作的情况是完全符合要求的。并且SRAM的存取速度快,换帧的时候也能够很好地显示出预期的数据。程序中用一个RAM选择模块,用来选择某个时间是读出哪一块RAM,还是写入哪一块RAM。

FPGA与存储器联接的信号为am1A[16..0], Ram1D[7..0], Ram1Rd, Ram1 Wr; Ram2A[16..0], Ram2D[7..0], Ram2Rd, Ram2Wr。当FPGA从Ram1取出数据进行显示时,其中有关Ram1的信号就有效;同时就给Ram2写数据。程序中还用到4个内部变量Rt[7..0][7..0],Gt[7..0][7..0],Rs[7..0][7..0]和Gs[7..0][7..0]分别代表4个数组,每个数组里有8个字节。

程序中用到1个全局时钟clk,他用来驱动1个内部全局信号counter_temp,他是1个15位的矢量。TSCK和TNsck信号将8个clk时钟周期作为他们的1个时钟周期,也就是说8个clk时间送出1位数据。FPGA读RAM的时序为:首先地址信号出现在RamxA[16..0]上,然后RamxRd,RamxWr分别置为低电平和高电平,经过12～15ns,读出的数据就会出现在RamxD[7..0]上以便FPGA读这个数来显示。

FPGA写Ram的时序是外部MPU信号控制,首先地址信号出现在Ram2A[16..0]上,然后RamRd, RamWr分别置为高电平和低电平,写的数据出现在Ram2D[7..0]上。经过很短的时间,数据就写入了。

程序设定FPGA中的Ram1D和Ram2D为双向口,可写可读。在内部要设相应的缓冲器。因为写RAM是MPU写给RAM,MPU要指明写的地址和数据,所以在程序中要有地址和数据输入口。实际设计中为了减少FP2GA的端口,设计成低地址和数据复用线AD[7..0],用一个信号ALE选择;当其为低电平时,AD[7..0]有效的数据是地址,为高电平时为要写入RAM中的数据。

静态图像显示过程中为了使眼睛看上去不闪烁,就要使一帧图像在一秒内至少显示50次,即使一帧图像在最多20ms显示完。要达到这个要求,就要使一个最小模块的8行在最多20ms内完成一个循环显示。因为是上半屏与下半屏分开传输数据,所以要求在最多1.25ms内传完半屏数据,时钟周期需要在0.6μs以下,而选用的FPGA的时钟频率可以达到50MHz以上,完全符合显示的要求。

4 结　语

硬件连接和软件设计是融为一体的,在最初系统的整体规划中,就是要兼顾两者。本设计从硬件连接到最后的软件实现,都是优化以后的结果。所以按照本设计中的硬件连接情况而设计的软件,只需要一片2万门的FPGA就可以实现如此大规模的点阵显示,并且本设计的LED显示屏,画面非常清晰稳定,并且在换帧的过程中能够做到流畅自如,看不出停滞。