旋转LED屏设计关键及注意事项

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摘 要：提出了一种基于FPGA和SOPC技术实现旋转LED屏控制系统设计的新方法。该设计以Altera公司的EP2C20为核心，通过在单片FPGA中集成NIOS软核处理器，SDRAM控制器和EPCS控制器等外围控制器件，配合红外接收模块，LED控制模块等自定义的Avalon接口模块实现旋转位置感应，红外无线控制，彩色LED控制等功能。这种设计方案的主要优势在与集成化和可扩展性，只需要对该方案进行少量修改，便可以实现具有更多功能的控制系统，以适应不同的旋转LED屏设计的需要。
　　一、引言
　　LED（1ight emitting diode）显示屏由发光二极管阵列构成。发光二极管（LED）是一种电流控制器件，具有亮度高、体积小、单色性好、响应速度快、驱动简单、寿命长等优点，能胜任各种场合实时性、多样性、动态性的信息发布任务，因此得到了广泛的应用。LED大屏幕是通过一定的控制方式，用于显示文字、图像行情等各种信息以及电视、录像信号，并由LED器件阵列组成的显示屏幕。LED大屏幕作为现代信息发布的重要媒体，正受到社会各界尤其是商业界、广告界的极大重视，被广泛应用于上业、交通、商业、广告、金融、体育比赛、电子景观等。
　　目前市场上的LED屏基本上均为平板LED屏，这种屏具有显示稳定，显示内容易修改的优点。但是平板显示屏的原理决定了显示屏上的每一像素点均与单独的LED一一对应，这必然造成平板显示系统造价过高显示控制系统庞大的等缺点，而且由于几何机构的限制，决定了平板显示屏的视场较小。而新型的旋转柱式LED屏可以克服平板LED屏的上述不足-它以机械转动扫描方式代替逐行扫描，使用的LED数量大大减少，这使成本大大减低，而且可是屏幕范围达到了360°。
　　SOPC是嵌入式设计的一个新的方向，利用SOPC技术可以将多个功能模块集成到一块可编程芯片上构成可编程芯片上。将SOPC技术和旋转LED控制有机结合起来可以实现结构紧凑，功能稳定的旋转LED控制系统，同时也有利于控制系统的功能升级和维护。
　　二、旋转LED屏基本原理及关键技术
　　2.1 LED阵列旋转显示
　　旋转LED显示屏是一种通过同步控制发光二极管（LED）位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示屏，因其结构新颖，成本低廉，可视范围达360°而得到了迅速的发展，其核心技术在于精确控制LED位置与发光状态的同步。旋转LED屏的显示器件只有一列，并且这一列LED由转速恒定的LED带动进行旋转， 同时由控制电路对LED的点亮状态进行同步控制，使电机每转过一定角度，这一列LED的显示内容就改变一次，在旋转到任何一个位置都有唯一确定的显示内容，也就是说旋转LED屏是采用逐列显示的，并且采用了机械转动来替代替代扫描显示，下图中a，b，c，d是旋转LED屏在不同时刻的显示状态，d是人眼视觉看到的完整的画面“3”。

　　

　　2.2 三基色LED的颜色灰度控制
　　本设计采用了三基色LED来实现彩色像素的显示，为了能实现丰富多彩的颜色显示，需要对LED的颜色灰度进行控制。这主要有两种即驱动电流控制法和驱动脉冲占空比控制法，但前一种方法实现难度较大成本较高，而后者原理简单，容易采用数字设计方法实现，因此本文的LED灰度控制采用了占空比控制法。
　　占空比控制法控制LED的亮度实际上是控制LED点亮的时间。周期性地改变LED在一个周期内的点亮时间的长短，从而实现LED的亮度变化。在工作状态下连续地改变LED在循环周期中的点亮时间就可以实现LED亮度灰度等级的连续变化。对于256色显示，只需要采用8bit色度数据来控制LED的灰度，列数据位与占空比关系如下图2所示：

　　

2.3 旋转LED屏设计的关键
　　旋转LED屏的原理并不复杂，其硬件结构也相对简单，但是要使旋转LED屏能够稳定的显示设定的图像或文字，需要克服三个技术难点：
　　1.旋转屏控制控制电路的供电。在系统工作时，控制电路随着电机的转子转动，因此给旋转着的控制电路和LED提供一个稳定的供电电源具有一定的难度。
　　2.旋转屏横向显示拖影问题。由于旋转屏采用了单列LED旋转扫描实现柱面图像显示，这使得像数点显示在横向上出现了粘滞，形成拖影现象。
　　3.解决显示亮度不足，由于旋转LED屏的工作原理决定了相比于普通的平面LED屏，显示每一列的时间要少许多，因此亮度也会大大减小。
　　要使设计的旋转LED屏具有较好的显示效果，需要在设计解决好这三个问题。对于旋转LED屏的供电来说，采用固定在底座的电刷片和旋转的金属导轨或者金属轮轴接触的方式给系统供电，是比较简单而可靠的方法。本文的设计就是通过电刷提供一个恒定的12V直流电压，再由DC-DC芯片转换成2.5V、3.3V、 5V等电压来维持控制系统工作。解决旋转屏的横向拖影，主要是根据旋转扫描的特点，在两列像素点之间插入一个全黑时隙，这样就可消除两列图像显示点的粘滞感。而对于解决亮度显示不足的问题，本文的设计在不继续加大LED灯亮度的情况下，采用的是用四列LED灯来轮流显示每个旋转屏上的每个象素点，这样亮度在旋转速率不变的情况下就变为原来的四倍。
　　三、总体方案系统设计
　　本文的设计是以FPGA为核心，利用霍尔传感器，红外遥控以及三基色LED显示阵列搭建的柱式旋转LED屏系统。该系统主要由电机，控制电路，LED显示阵列三部分组成。
　　电机的作用就是带动电路部分进行旋转，这个部分的关键就在于电机的转速要均匀，这样才能保证图像在水平方向不会被局部伸展或者压缩。为了使LED转速保持稳定，一般在设计时，都是使用匀速的直流电机，或者是步进电机。
　　LED整列是旋转屏的显示主体，为了实现较好的显示效果，本文的设计采用了三基色的LED灯，通过电路的控制LED的颜色灰度等级，LED屏可以显示出复杂多变的色彩，虽然这样在控制电路的设计上更为复杂，但是具有更好的显示效果。
　　LED显示控制电路的作用是将存储在RAM内图像或符号，在旋转位置感应信号的同步下，根据旋转的位置按列扫描显示在LED阵列上。这部分是整个系统的核心。
　　四、旋转LED控制电路的SOPC设计
　　本设计硬件平台采用Altera公司的CycloneⅡ系列中EP2C20Q204C8作为 FPGA为平台，通过使用Quartus II软件搭建的采用Nios软核处理、DMA、SDRAM控制器等外围模块以及自定义的LED驱动控制模块等搭建了旋转LED屏的控制系统。
　　4.1控制电路的结构
　　作为旋转LED屏的核心部分，本文所设计的旋转LED屏控制系统电路主要由以下一个部分组成，如图3所示。

　　

　　电源供电模块，主要功能是为旋转LED屏控制系统以及LED显示阵列提供连续稳定的电源。
　　FPGA及其配置电路，FPGA电路整个控制系统的核心，是实现Nios II处理器及相关功能模块的载体。
　　彩色LED阵列驱动控制电路，主要由LED的驱动芯片及相关器件组成。LED驱动芯片在控制器的控制下按照相应的顺序、颜色和亮度显示图形文字内容。
　　外围存储电路，包括SDRAM和CF卡。SDRAM作为Nios II处理器的程序运行空间，而大容量的CF卡则用于存储LED屏要显示的图像或者文字内容。
　　旋转位置感应电路，由一片集成的霍尔感应器件及相关器件组成，用于感应LED屏旋转的位置，使得输出内容与旋转位置相对应。
　　无线控制电路，由红外（irDA）接收芯片和手持式红外遥控器组成，主要实现对旋转LED显示内容的切换红外遥控。
　　实时时钟电路（RTC），由外接实时时钟芯片组成，实现显示时钟的功能。
　　4.2 LED驱动控制模块设计
　　LED驱动控制模块是旋转LED屏控制系统的最重要部分，主要分为Avalon接口子模块，双口RAM子模块，串行移位输出子模块，输出同步子模块，灰度控制子模块等组成，其结构图如下图4所示。

　　

　　在设计中，双口RAM子模块可以使系统可以在输出显示图像的同时，可以同步更新显示内容数据。旋转LED屏有四个显示LED列阵，整个显示柱面分为四个区，每个区占1/4个柱面。为了实现四个区的同步扫描，需要有四个独立的双口RAM，其位宽为24bit，刚好可以存储一个像素数据，使R、G、B各占8bit，以满足256显示的需要。双口 RAM使用QuartusII 软件内嵌的MegaCore生成，每个RAM的大小为768x24bit.
　　串行移位输出子模块和输出同步控制子模块是用于将并行的图像数据从RAM中取出，并在霍尔感应器输入的位置信号的同步控制下把数据串行化输出的。图像灰度控制的方法是采用前文提到的占空比控制法来实现的，灰度控制子模块主要由计数器和比较器组成，计数器在灰度时钟GRY_CLK上升沿计数，当计数值》=0并小于比较器的值时，灰度控制输出信号GRY为高，否者为低，该信号送往驱动芯片74HC595的使能端EN用于控制LED灯的点亮时间，可控制色彩灰度和在两列图像显示列中增加黑的时隙。
五、系统软件设计
　　整个旋转LED屏的控制电路的控制核心是Nios处理器，图像数据的读取，旋转位置的感应，以及 LED的显示驱动都是由Nios处理器来实现控制调度的。对于Nios软核处理器来说，其软件开发是在SOPC Builder下的Nios IDE集成开发环境下完成的。Nios处理器软件的流程结构如下图5所示：

　　

　　六、总结
　　旋转LED屏作为一种新型的LED显示屏以其成本低，可视范围大等独特优点，也越来越受到人们的重视。本文根据旋转LED屏的工作原理以及设计要求，将基于Nios软核的SOPC技术引入到设计中来，实现了基于SOPC的彩色旋转LED屏的设计。该设计把微处理器和用户逻辑接口都集成在一块FPGA芯片上，其接口可以灵活地被编程人员定义，用户能根据显示屏的大小灵活调整硬件逻辑设计以实现对屏的控制，而不需要改变其原有硬件构成，因此具有很大的灵活性，是旋转LED屏控制电路设计的一个新方向。