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在当今这个信息时代我们的生活免不了信息的交流

本科毕业设计（论文）

LED大屏幕显示控制系统设计

--单片机控制系统设计

摘要

LED显示屏是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。

它以其适用范围广、寿命长，工作性能稳定，功耗低、亮度高，而日渐在显示领域中得到广泛应用，如广告、车站、码头、证券、银行等信息传播、信息发布方面，是目前国际上比较流行的显示媒体。

本文介绍了一种全新的LED显示屏控制解决方案，主要使用Alteracyclone飓风FPGA和16位凌阳单片机SPCE061A作为主控器件，采用较普遍的74LS595作为LED显示屏显示驱动芯片。

实验表明按照本系统的设计出的电路简单，控制方便，屏幕显示稳定，效果佳，是现代LED电子屏的一种很好的解决方案。

文中首先描述了LED的结构原理、模块、分类、亮度控制方式和电子屏的组成,对cyclone飓风FPGA的配置模式进行了简要的介绍。

对Altera公司编程软件QuartusⅡ4.0与MAX+PLUSⅡ相比独有的特点及新技术进行了比较详细的分析,以便对它有一个比较清晰的了解，并采用此软件为以后的系统设计提供参考。

最后以本系统的192x128的单色（红色）点阵屏为模板，详细的介绍系统电路的设计及在大屏幕上显示汉字和图形的原理及各种显示方式的算法，及如何让屏幕显示的更稳定、清晰做了些探讨。

关键词：

LED显示屏;配置;QuartusⅡ;凌阳单片机;飓风FPGA

Abstract

LEDpanelsarealarge-scaledisplaysystem,whichconsistofmicroelectronicstechnique,photoelectrontechnique,computertechnique,andinformationhandlestechnique.Withit’swideapplicationscope,longlifespan,stableworkfunction,lowpowerconsumes,highbrightdegree,gradually,LEDpanelsbecomeextensiveapplicationindisplayfieldastheinformationtransmissionandannouncementmeasures,Suchasadvertise,thestation,wharf,stockcertificate,banketc.itispopulardisplaymedium.

ThisthesisintroducedakindofallnewLEDpanelscontrolsolution.TheMainlycontrolunituseoneAlteracycloneEP1C6andone16-bitlingyangsingle-chipprocessorSPCE061A,whichbothispopularincurrentindustrycontrolfield,usethecommon74LS595astheLEDdisplaydriverchip.Theexperimentresultaccordingtothissystemshowsthatitisagoodsolutionwiththecharacteristicsofsimplifiedcircuit,convenientlycontrol,stablydisplayandgoodeffect.

thisthesisfirstdescribedtheLED’sconstructionprinciple,module,andclassification.ThengivesoutabriefintroductionoftheconfigurationmodeforcycloneFPGA（thissystemadaptsactivemode）,andgivesoutadetaildescriptionabouttheprogrammersoftwareQuartusⅡ4.0andit'suniquefeatureswhencomparedwiththeMAX+PLUSⅡ,whichprovidesreferencefornewsystemdesign.

Atlast,takesMonochromaticlattice（red）ofthe192x128sinthissystemastemplate,givesouttheanalysisofthissystemcircuit,theprincipleofdisplayingChinesecharacterorfigureonlargescreenandthealgorithmfordifferentdisplaymode,alsodiscussedhowtomakescreendisplaymorestableandclearer.

Keywords:

LEDpanels;configuration;QuartusⅡ;lingyangsingle-chipprocessor;cycloneFPGA

目录

第1章LED显示屏技术概述1

1.1LED原理1

1.2LED模块1

1.3LED显示屏分类2

1.4LED亮度控制方法2

1.5LED显示屏组成2

第2章Cyclone飓风FPGA配置4

2.1主动配置模式5

2.2被动串行配置7

2.3JTAG配置模式9

第3章QuartusⅡ4.0软件简介11

第4章系统硬件电路设计15

4.1系统上位机15

4.2主控板17

4.2.1SPCE061A16位凌阳单片机概述17

4.2.2CycloneTM系列芯片概述18

4.2.3M4K模块介绍19

4.2.4cyclone锁相环（PLLs）20

4.2.5SPCE061A控制电路21

4.2.6FPGAEP1C6的大屏幕驱动信号产生电路22

4.3点阵驱动电路22

第5章系统软件设计24

5.1RAM中数据存放格式24

5.2SPCE061A字模数据送到RAM中算法24

5.3整屏数据同时上移算法25

5.4整屏左移算法26

5.5整屏右移算法28

5.6主程序模块30

5.7中断接收字模模块31

小结34

参考文献35

致谢36

附录一:

英文翻译37

附录二:

电路图65

第1章LED显示屏技术概述

随着时代的发展，信息的交流在我们的生活中起着越来越重要的作用。

从传统的广播、电视、报纸，到现在的移动通信、因特网，无论信息交流的手段如何发展，仍不能改变LED显示屏在传递信息方面受到的关注。

近几年在LED材料研制和控制技术上的发展，更是受到人们的关注。

在目前这个群雄逐鹿的显示领域（包括CRT，LCD，DLP，背投技术，等离子显示技术等），LED显示技术将凭借其自身的优势在未来的显示领域中取得一席之地。

LED显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术、光电子技术于一体的大型显示系统。

它以其适用范围广、寿命长，工作性能稳定，功耗低、亮度高，而日渐在显示领域中得到广泛应用，如广告、医院、车站、码头、证券、银行、展览等信息传播、信息发布方面，是目前流行的显示媒体。

1.1LED原理

图1.1发光二极管

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

其原理图如图1.1所示。

LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的有红（波长660nm）、绿（波长470nm）、蓝（波长525nm）三种。

由于LED工作电压低（仅1.5-3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、耐高温、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备和户外的显示媒介中。

目前尚无其他的显示方式与LED显示方式匹敌。

LED象素直径的大小一般有φ3、φ3.75、φ5、φ8、φ15、φ19、φ26等.

1.2LED模块

1）LED发光管

　　一般由单个LED晶片，反光碗，金属阳极，金属阴极构成，外包具有透光聚光能力的环氧树脂外壳。

可用一个或多个（不同颜色的）单灯构成一个基本像素，由于亮度高，多用于户外显示屏。

2）LED点阵模块

　　由若干晶片构成发光矩阵,用环氧树脂封装于塑料壳内。

适合行列扫描驱动，容易构成高密度的显示屏，多用于户内显示屏。

3）贴片式LED发光灯（或称SMDLED）

LED发光灯是贴焊形式的封装，可用于户内全彩色显示屏，可实现单点维护，有效克服马赛克现象。

1.3LED显示屏分类

1）按颜色划分：

单色屏、双色屏和全色屏

目前在市面上见得比较多的是红、绿、蓝3种颜色的LED发光二极管，用它们做成的LED屏被称为单色屏；红色和绿色的LED放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏。

2）按使用的环境划分：

户内屏、户外屏和半户外屏

户内屏面积一般从不到1平米到十几平米,点密度较高，在非阳光直射或灯光照明环境使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水能力。

　户外屏面积一般从几平米到几十甚至上百平米，点密度较稀（多为1000-4000点每平米）,发光亮度在3000-6000cd/平米（朝向不同，亮度要求不同），可在阳光直射条件下使用，观看距离在几十米以外，屏体具有良好的防风抗雨及防雷能力。

半户外屏介于户外及户内两者之间,具有较高的发光亮度,可在非阳光直射户外下使用，屏体有一定的密封，一般在屋檐下或橱窗内。

3）按控制或使用方式划分：

同步屏和异步屏

　　同步方式是指LED显示屏的工作方式基本等同于电脑的监视器，它以至少30场/秒的更新速率点点对应地实时映射电脑监视器上的图像,通常具有多灰度的颜色显示能力，可达到多媒体的宣传广告效果。

异步方式是指LED屏具有存储及自动播放的能力，在PC机上编辑好的文字及无灰度级图片通过串口或其他网络接口传入LED屏,然后由LED屏脱机自动播放，一般没有多灰度显示能力，主要用于显示文字信息及一些图片，可以多屏联网显示。

4）按使用方式划分：

点阵屏、点阵数码混合屏。

1.4LED亮度控制方法

LED亮度控制有两种方法。

一种是改变流过LED的电流，一般LED管允许连续工作电流在20毫安左右，除了红色LED有饱和现象外，其他LED亮度基本上与流过的电流成比例；另一种方法是利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制方法来实现灰度控制，也就是周期性改变光脉冲宽度（即占空比），只要这个重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高），人眼是感觉不到发光象素在抖动。

由于脉宽调制更适合于数字控制，几乎所有的LED屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的。

1.5LED显示屏组成

LED显示屏是一种发布信息的载体，这要求它能够接收计算机发送过来的显示数据。

因此主要包括：

显示信息发送端即上位机、数据处理主控板模块以及显示驱动电路三部分组成。

上位机与主控板之间的数据通信可以是RS-485协议，也可采用TCP/IP协议来进行多个LED屏之间的连网通讯。

随着LED制造工艺的改进，LED使用寿命、亮度及灰度等级都在原来的基础上有很大的提高，特别是现代PC技术，网络技术、IC技术的发展，使LED点阵大屏幕的控制变得越来越方便，尤其是近几年的多媒体技术发展并在这方面的研究和应用，使LED点阵屏的画面变得越来越生动、形象，这促使了LED屏在我们生活中的不可或缺的信息交流工具。

本系统设计的是一种户内型LED点阵屏，采用了目前在控制方面的新技术、新手段。

实验表明本系统，电路简单，控制方便，屏幕显示稳定，效果佳，是现代LED显示屏的一种很好的解决方案。

第2章Cyclone飓风FPGA配置

飓风FPGA使用SRAM来存放配置数据，而SRAM是不能掉电保存数据的，因此FPGA在每次上电时必须将配置数据下载到FPGA内部。

飓风FPGA的配置有三种模式：

主动模式（AS）、被动模式（PS）和JTAG（JointTestActionGroup联合测试行动组）模式，可以使用其中的任何一种来配置Cyclone飓风FPGA。

表2.1FPGA配置模式

配置方式

描述

主动模式

配置途径：

配置芯片EPCS1或EPCS4

被动模式

配置途径：

1、增强型配置芯片EPCS4EPCS8和EPCS16

2、EPC1和EPC2

3、智能主机如微处理器

4、下载电缆

JTAG模式

通过JTAG引脚配置：

1、下载电缆

2、智能主机如微处理器

3、JamTM标准测试和编程语言（STAPL）

你可以选择一片飓风芯片将其MESL0和MESL1引脚通过置0或1来区别是哪一种配置模式，引脚具体连接情况如表2.2所示。

表2.2配置模式管脚选择

MESL1

MESL0

配置模式

0

0

AS

0

1

PS

0

0或1

JTAG

注意：

1.MESL引脚不能悬空，让它们接逻辑0或1。

这些引脚支持非JTAG配置模式。

如果你的设计只适合JTAG配置模式，那就将MESL0接到VCC上。

2.JTAG模式的优先级比AS和PS高，这说明在JTAG模式中MESL的设置是无效的。

在配置完成之后，飓风FPGA会对寄存器和I/O引脚进行初始化，然后进入用户模式，同时用户程序开始起作用。

飓风FPGA芯片是第一款支持配置数据压缩的新型FPGA芯片，这个特点允许我们对配置数据进行压缩之后通过PC机将位数据流下载到专用的配置芯片内，如EPCS1或EPCS4。

飓风FPGA芯片会自动的在配置过程中对位数据流进行实时解压缩，同时对芯片编程。

配置数据压缩功能支持主动和被动配置模式，但它不支持JTAG配置模式。

数据压缩之后其文件大小是压缩之前的35%到60%。

表2.3是未压缩的飓风系列FPGA芯片原始配置文件大小，如果要配置多个FPGA就将其文件大小相加，其和的大小就为配置文件的大小。

表2.3飓风系列FPGA配置数据

芯片

位数据大小

字节数据大小

EP1C3

627，376

78，422

EP1C4

925，000

115，625

EP1C6

1，167，216

145，902

EP1C12

2，326，528

290，816

EP1C20

3，559，608

444，951

下面分别对这三种配置模式作简单介绍。

2.1主动配置模式

串行配置芯片提供了一个串行接口来接收配置数据。

在配置过程中，飓风FPGA就会通过串行接口读配置芯片中的配置数据，如果是压缩数据就对其进行解压缩，并对芯片进行配置。

在这个过程中，FPGA控制配置接口的动作，因此称此方式为主动配置模式。

与被动模式相比，配置芯片控制配置接口的动作。

主动配置模式（AS）时序图如图2.1所示。

图2.1主动配置模式时序图

在系统上电的时候，飓风芯片和串行配置芯片都会进入系统上电复位（POR）阶段，一旦飓风芯片进入POR状态，它就会将nSTATUS设为低电平指示系统忙，使CONF_DONE设为低电平指示芯片未配置。

在POR之后，典型时间是100ms，飓风FPGA就释放nSTATUS低电平状态而被外挂的10K电阻拉为高电平使FPGA进入配置模式状态。

一旦FPGAPOR成功，它就退出POR状态，所有的I/O引脚是处于三态。

飓风芯片的I/O口在配置前及配置中都有一个弱的内部上拉电阻。

DCLK在FPGA的整个配置周期内是始终产生的，并且这个时钟为串行接口提供时钟。

飓风芯片使用内部的晶振来产生DCLK的。

图2.2给出了主动配置单个FPGA芯片的电路连接图。

图2.2主动配置FPGA芯片

1、主动配置多个FPGA芯片

你可以使用单个串行配置芯片来配置多个FPGA芯片，使用nCE和芯片使能输出脚nCEO级连多片FPGA芯片，而在这芯片链中第一片FPGA芯片的nCE脚必须接到地上，而使它的nCEO脚接到第二片的nCE脚上，并且必须使最后一片芯片的nCEO悬空。

当第一片芯片接收了其所有的配置数据之后，它就会使nCEO变为低电平而使下一片芯片处于接收配置数据状态，这个芯片链中的所有nCONFIG,nSTATUS,CONF_DONE,DCLK，DATA0引脚都是连在一起的。

第一片飓风FPGA芯片配置成主控芯片，它控制这个链中的所有其它

图2.3用一个串行配置芯片配置多个FPGA芯片（主动配置）

芯片的配置，必须将主控芯片的MESL引脚连接为主动模式，而链中的其它芯片接成被动模式。

其总的电路连接图如图2.3。

2、为多个FPGA芯片配置同样的数据

在一些特殊的应用中要求使多个FPGA芯片具有同样的电路功能，那么势必要使这些FPGA配置同样的数据。

这就要在串行芯片中存放几个区的同样的配置数据，第一区的数据送给主控芯片，而接下来的同样的配置数据就送给链中的其它被动配置模式芯片，配置完成之后，那么有同样配置数据的芯片就具有了同样的电路功能。

其电路图与用一个串行配置芯片配置多个FPGA芯片（主动配置）一样。

3、在系统配置FPGA芯片

通过主动配置接口，你也可以在系统对配置芯片编程，在系统编程过程中，FPGA是不会接收配置数据的，因为下载电缆使其nCE引脚被置成高电平，而nCONFIG为低电平使FPGA处于复位状态。

在配置芯片编程完成之后，下载电缆会释放nCE,nCONFIG引脚，它们被各自的下拉和上拉电阻拉为低电平和高电平。

电路连接图2.4所示。

图2.4在系统配置串行芯片

2.2被动串行配置

飓风FPGA也支持被动配置模式。

在被动配置模式中，一个额外的主机（配置芯片、嵌入式微处理器或PC主机）控制配置过程。

配置数据是以同步的形式经DATA0和DCLK引脚传送到FPGA内部的。

PS配置波形时序图如图2.5。

图2.5被动配置时序图

注意：

1）在电源上电和配置过程中，CONG_DONE是为低电平的，在配置结束之后，CONF_DONE被置为高电平，它指示配置成功。

如果芯片重配置，CONF_DONE在nCONFIG变为低电平后变为低电平。

2）在配置过程中，用户引脚都有一个微弱的上拉电阻并处于三态状态的，在初始化之后，用户I/O脚按照用户设计所分配的管脚功能工作。

3）在配置之前或配置过程中的前136个时钟周期内，nCONFIG是为低电平的，而INIT_DONE是为高电平的。

4）在用户模式，若使用被动配置模式，DCLK会被拉为高电平或低电平。

5）用户模式时，DATA0是不能被拉为高电平或低电平的。

正如主动配置模式一样，被动配置模式有多种形式，如用EPC2、EPC4、EPC8和EPC16专用配置芯片来配置，而目前专用的被动配置芯片EPC价格比较昂贵，产品成本较高。

同样你也可以使用PC机的下载电缆来配置，但它只能在做实验时采用，商业化的产品是不可能采用PC机这种配置模式的。

第三种方法是采用微处理器MCU来控制配置。

目前微处理器较便宜，并且技术比以往都有很大程度上的提高，特别是在CPU频率、片内RAM、片内flashROM等方面。

我们在知道其配置时序后完全有可能模仿其时序来对FPGA进行配置，实际应用中也有很多的先例。

下面给出目前使用较多的使用微处理器来配置FPGA芯片的硬件电路连接图如图2.6。

图2.6被动配置电路图

2.3JTAG配置模式

JTAG是为了测试芯片内部电路而设计的，这种边界扫描测试（Boundary-ScanTestBST）结构提供了有效测试PCB的方法。

当设备正常工作时，BST结构可以在无须使用物理探测就能测出引脚连接情况并获得相关数据。

你可以通过JTAG电路将配置数据通过移位的方式移入FPGA内部。

QuartusⅡ软件自动产生.sof文件，它可被用来作为JTAG配置的数据文件。

飓风FPGA是使用TDI、TDO、TMS和TCK四个引脚的，它不支持可选的TRST引脚，而TCK、TDI和TMS都有一个弱的内部上拉电阻，所有的用户引脚在JTAG配置时是三态的。

各引脚功能介绍如表2.5所示。

表2.4JTAG引脚功能说明

引脚

描述

功能

TDI

测试数据输入

命令、测试和编程数据的串行数据输入脚，数据是在TCK的上升沿移入FPGA

TDO

测试数据输出

命令、测试和编程数据的串行输出脚，数据在TCK的下降沿移出FPGA，若数据没有移出则为三态

TMS

测试模式选择

输入引脚，提供控制信号决定传输测试准入端口控制状态机。

状态机的传输发生在TCK的上升沿，因此TMS必须在TCK上升沿之前设置

TCK

测试时钟输入

BST电路时钟输入，某些动作发生在TCK上升沿，某些发生在TCK的下降沿

JTAG模式配置单个FPGA芯片的电路连接图如图2.7。

图2.7JTAG模式配置单个飓风FPGA

这三种配置模式各有其优缺点：

JTAG模式主要在实验中使用，它因不需要专门的配置芯片来中转直接对目标芯片通过一根下载线（如ByteBlasterII）来下载程序,这种模式特别方便、简单。

但它的缺点就是不能掉电保存程序。

因此限制了其商业化的目的。

主动和被动模式都使用外部存储器来存放配置数据，达到掉电保存配置数据的目的。

在专用的配置芯片较贵时，普遍采用被动方式来配置，即采用微处理器和一片大容量的ROM来代替专用芯片，但是必须自己编写程序来模仿下载时序对芯片进行配置，比较烦琐。

但就目前飓风芯片的配置芯片EPCS1价格便宜，因此本系统采用EPCS1的主动配置模式。

经实验表明，使用EPCS1主动配置模式方便，电路板面积小，比较经济。

第3章QuartusⅡ4.0软件简介

Altera公司的QuartusⅡ4.0编程软件提供了很多的设计优点和一个友好的可编程片上系统设计，它支持的Altera公司的大部分CPLD及FPGA芯片，包括最新的Stratix™,StratixGX,和Cyclone™系列芯片，使用QuartusⅡ可以降低设计和校验周期而提高设计效率。

它与MAX+PLUSⅡ相比增加了许多的功能，含有许多更具特色和更强的实用功能，大致有以下几点。

1、QuartusⅡ与MATLAB/Simulink和Altera的DSPBuilder，以及第三方的综合器和仿真器相结合，用于开发DSP硬件系统。

DSPBuilder就是Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具。

它是作为Matlab的一个Simulink工具箱（ToolBox）出