基于FPGA的LED大屏幕显示控制器设计

【摘要】描述了一个使用FPGA控制LED点阵屏幕的系统，该系统使用Verilog HDL编制代码，实现了LED屏幕的字符、图像显示与简单的动画效果，在Quartus II平台上通过了编译与仿真。本系统稳定可靠，性能强。

【关键词】FPGA；LED点阵；动态显示

1.引言

LED显示技术相比于投影显示、液晶显示、激光显示等其他大屏幕显示技术，有其独特的优越性，例如：高亮度、宽可视角度以及可定制的屏幕外形等。这些特点使得LED显示屏被广泛应用于工业、信息、体育比赛等各个领域。

当今市场上的LED显示系统，通常使用单片机作为主控芯片连接I/O扩展电路来控制LED显示屏。但是，对于LED大屏幕显示屏来说，要求扫描速度快，而单片机内部的资源较少、运行速度较慢，在很多时候难于满足系统要求。同时，也使产品的灵活性和稳定性受到一定程度的影响。FPGA器件具有处理速度快，有大量的可编程逻辑单元和丰富的布线资源，在处理大流量数据应用时具有明显的优势，它的引脚资源丰富，可扩展性强。因此，基于FPGA实现的大屏幕LED显示成为目前的应用热点。

2.控制器的系统架构

本系统使用的FPGA芯片是Altera公司Cyclone II系列的EP2C35。该芯片具有33216个逻辑单元、322个引脚，是一个功能十分强大、内部资源十分丰富的高密度FPGA芯片。系统使用Verilog HDL语言编制系统代码，实现了双色显示屏控制字符显示与简单动画。本系统由FPGA系统板、74HC595组成的移位寄存器组两组、74HC138组成的行选择信号产生电路、三极管组成的驱动电路以及8块8×8双色点阵组成大屏幕显示单元组成，系统的具体结构如图1所示。

3.功能单元实现

本系统的显示控制原理是采用动态行扫描显示，这也是本系统显示关键技术。具体实施方法如下：首先通过移位寄存器组向显示模块的列端输出相应行的数据，然后使用译码电路点亮对应的行；根据扫描频率，再切换成下一行的数据，再点亮对应行。依次轮流下去，即可实现动态行扫描显示控制。

如图2所示，这是16×16点阵示意图，其中Column是LED点阵中发光二极管的负端，Row是发光二极管的正端。显示过程中，先选择好需要显示的行（Row），再在Column上施加对应行的数据。例如，当需要第一行亮时，先通过驱动电路给Row0高电平，然后在Column上输出对应的信号值。依照这个原理，当给Row1高电平时，第二行亮。依此类推，然后循环显示，以达到动态显示的目的。

本系统中，使用74HC138组成了4-16线译码电路，译码电路和三极管组成的驱动电路共同组成了本系统的行扫描控制。FPGA中存储了需要显示的字符和图形数据，在显示时通过74HC595组成的32位移位寄存器输出到列（Column）端，与行扫描控制共同完成显示。

系统在图像的动画显示方面，可以实现图像的左、右移动，上、下移动四个动画效果。本系统实施动画显示的原理是，在显示控制上添加了一个图像数据暂存单元。行列扫描单元都是从这个图像数据暂存单元中取得数据，而FPGA也要先将将字符和图像数据放到这个暂存单元。这样实现动画效果，其实也就变成了对这个图像暂存单元进行数据处理的问题，从而简化了问题，使得动画显示变得容易。

本系统时在设计时考虑到多种颜色显示的需要，采用的是双色（红色、绿色）LED点阵屏幕，同时在32位移位寄存器上也使用了2组，从而保证了硬件上是支持三色（红黄绿三色）显示的。控制时，根据每个点需要的颜色不同，通过调整移位寄存器的输出即可实现。

4.实现结果与结论

利用上述研究结果，对基于FPGA的大屏幕显示控制器进行设计，整个系统采用只显示两个字的简化模型进行实现（大显示屏增加相应的硬件电路即可），具体实现结果如图3：系统使用FPGA控制LED点阵显示屏，实现了双色LED点阵的基本字符显示与简单动画的效果。具有较大的稳定性和灵活性，也使系统设计上可扩展性更大。从而使其具有极高的研究与实用价值。

参考文献

[1]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]NXP Semiconductors.74HC59；74HCT595 Product data sheet.NXP Semiconductors，2011.

[3]吴厚航.深入浅出玩转FPGA[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

注：本课题获得大学生科学研究与创业行动计划支持。