单片FPGA的全彩 LED 显示屏的工作原理

一、全彩 LED 显示屏的工作原理

全彩 LED 显示屏是由众多微小的发光二极管(LED)组成的。LED 是一种半导体器件，当电流通过时，它会发出特定颜色的光。通过将红、绿、蓝三种基本颜色的 LED 组合在一起，可以产生各种不同的颜色。

在全彩 LED 显示屏中，每个像素点都由一组红、绿、蓝 LED 组成。通过控制每个 LED 的亮度，可以混合出所需的颜色。例如，当红色、绿色和蓝色 LED 都以蕞大亮度发光时，会产生白色光;当红色 LED 发光而绿色和蓝色 LED 不发光时，会产生红色光。

全彩 LED 显示屏的控制系统负责接收图像信号，并将其转换为控制每个像素点的信号。这些信号通过数据线传输到显示屏上的驱动电路，驱动电路再根据信号控制每个 LED 的亮度，从而在显示屏上呈现出图像。

二、全彩 LED 显示屏的特点

1. 高亮度和高对比度

全彩 LED 显示屏具有很高的亮度，可以在各种环境下清晰地显示图像。同时，由于 LED 的发光特性，显示屏具有很高的对比度，能够呈现出鲜明的色彩和清晰的图像。

2. 色彩鲜艳丰富

通过精确控制红、绿、蓝三种颜色的比例，可以产生出几乎无限种颜色。全彩 LED 显示屏能够呈现出非常鲜艳、逼真的色彩，给观众带来强烈的视觉冲击。

3. 视角宽广

LED 具有较大的发光角度，使得全彩 LED 显示屏在不同角度观看时都能保持良好的显示效果。无论是从正面、侧面还是倾斜角度观看，图像都能清晰可见。

4. 响应速度快

LED 的响应速度非常快，可以在瞬间点亮或熄灭。这使得全彩 LED 显示屏能够快速地切换图像，显示动态画面时不会出现拖影现象。

5. 节能环保

LED 是一种高效节能的光源，相比传统的显示技术，全彩 LED 显示屏具有更低的能耗。同时，LED 不含有汞等有害物质，对环境更加友好。

三、全彩 LED 显示屏的应用领域

1. 商业广告

全彩 LED 显示屏是商业广告的理想选择。它可以在繁华的商业区、购物中心、车站等场所展示各种广告内容，吸引人们的注意力，提高品牌之名度。

2. 体育场馆

在体育场馆中，全彩 LED 显示屏可以实时播放比赛画面、比分、运动员信息等内容，为观众提供更好的观赛体验。同时，它也可以用于举办大型文艺演出和活动。

3. 舞台演出

全彩 LED 显示屏在舞台演出中扮演着重要的角色。它可以作为背景屏幕，营造出各种绚丽的场景，增强演出的视觉效果。同时，它也可以与灯光、音响等设备配合，创造出更加震撼的舞台效果。

此类屏一般没有多级灰度显示能力,主要用于显示文字和简单的图形信息,可以多屏联网。这一方式必须需要一个带CPU的控制器对信息进行处理。 [1]实时映射屏系统实时映射屏是一种同步显示屏,基本功能是实现LED显示屏实时映射计算机屏幕内容,包括在多媒体卡的支持下显示Video视频图像。把数据从主机显卡的特征口或视霸卡上把显卡处理好的要显示数据取出来,然后对这些数据做一定的处理送到LED显示屏。这种方式可以不用带CPU的控制器,甚至只需要做出一块硬件卡就可以实现。256级灰度LED显示系统能使LED显示屏完成与计算机同步显示,并使之达到高性能显示效果。256级灰度LED显示控制由多媒体卡、视频控制器、长线驱动,接收卡及显示单元构成。视频控制器从多媒体卡的标准显示接口获取数字化的显示信号,将其转换为显示屏所需的信号格式,它还可以从计算机的标准接口获得控制信号,用户通过计算机软件完成LED显示屏的控制调节,并使得显示屏能适应不同规格多媒体卡,具有高度的兼容性。

引言

只要在现在的市场上走一圈就会发现，大部分的中小规模 LED显示系统，采用的是传统的单片机作为主控芯片。但是内部资源较少、运行速度较慢的单片机，很难满足LED大屏幕的显示屏，因为系统要求数据传输量大，扫描速度要快。以FPGA作为控制器，一方面，FPGA采用软件编程实现硬件功能，可以有效提高运行速度;另一方面，它的引脚资源丰富，可扩展性强。因此，用单片FPGA和简单的外围电路就可以实现大屏幕LED显示屏的控制，具有集成度高、稳定性好、设计灵活和效率高等优点。

1 系统总体结构

LED大屏幕显示系统由上位机(PC机)、单片机系统、FPGA控制器、LED显示屏的行列驱动电路等模块组成，如图1所示。上位机负责汉字、字符等数据的采集与发送。单片机系统与上位机之间以异步串行通信工作方式，通过串行端口从上位机获得已完成格式转换的待显示的图形点阵数据，并将其存入EEPROM存储器。之后通过FPGA控制器，将存储器的显示数据还原到LED显示屏。扫描控制电路采用可编程逻辑芯片Cyclone EP1C6，利用VHDL语言编程实现，采用1/16扫描方式，刷新频率在60 Hz以上。本文着重介绍256×1024的单色图文显示屏的FPGA控制模块。

图1 系统总体结构框图

2 LED显示屏基本工作原理

对大屏幕LED显示屏来说，列显示数据通常采用的是串行传输方式，行采用1/16的扫描方式。图2为16×32点阵屏单元模块的基本结构，列驱动电路采用4个74HC595级联而成。在移位脉冲SRCLK的作用下，串行数据从74HC595的数据端口SER一位一位地输入，当一行的所有32列数据传送完后，输出锁存信号RCLK并选通行信号Y0，则第1行的各列数据就可按要求显示。按同样的方法显示其余各行，当16行数据扫描一遍(即完成一个周期)后，再从第1行开始下一个周期的扫描。只要扫描的周期小于20 ms，显示屏就不闪烁。

图2 16×32点阵屏基本结构

256×1024大屏幕显示屏由16×32个的16×32点阵屏级联而成。为了缩短控制系统到屏体的信号传输时间，将显示数据分为16个区，每个区由16×1024点阵组成，每行数据为1024/8=128字节，显示屏的像素信号由LED显示屏的右侧向左侧传输移位，把16个分区的数据存在同一块存储器。一屏的显示数据为32 KB，要准确读出16个分区的数据，其存储器的读地址由16位组成，由于数据只有32 KB，因此最高可置为0。其余15位地址从高到低依次为：行地址(4位)、列地址(7位)、分区地址(4位)。4位分区地址的译码信号(Y0～Y15)作为锁存器的锁存脉冲，在16个读地址发生周期内，依次将第1～16分区的第1字节数据锁存到相应的锁存器，然后在移位锁存信号上升沿将该16字节数据同时锁存入16个8位并转串移位寄存器组中。在下一个16个读地址发生时钟周期，一方面，并转串移位寄存器将8位数据移位串行输出，移位时钟为读地址发生时钟的二分频;另一方面，依次将16个分区的第2字节数据读出并锁入相应的锁存器，按照这种规律将所有分区的第一行数据依次全部读出后，在数据有效脉冲信号的上升沿将所有串行移位数据输出，驱动LED显示。接下来，移位输出第2行的数据，在此期间第1行保持显示;第2行全部移入后，驱动第2行显示，同时移入第3行……按照这种各分区分行扫描的方式完成整个LED大屏幕的扫描显示。

3 基于FPGA显示屏控制器的设计

3.1 FPGA控制模块总体方案

如图3所示，FPGA控制模块主要由单片机与FPGA接口及数据读写模块、读地址发生器、译码器、行地址发生器、数据锁存器组、移位寄存器组、脉冲发生器等模块组成。

图3 FPGA控制模块总体结构框图

读地址发生器主要产生读地址信号，地址信号送往MCU接口及数据读写模块，读取外部SRAM1或SRAM2中已处理好的LED显示屏数据，并把数据按分区方式送到数据锁存器组锁存。锁存器输出16分区数据，通过移位寄存器组实现并串转换得到显示屏所需要的串行数据，并送往LED显示屏列驱动电路。脉冲发生器为各模块提供相应的同步时钟，行地址发生器产生相应的行信号送往显示屏的行驱动电路。

3.2 单片机与FPGA接口及数据读写模块

单片机与FPGA接口及数据读写模块结构如图4所示。单片机从EEPROM中读取数据并根据显示要求进行处理后，通过接口及数据读写模块把数据送往数据缓冲器SRAM1或SRAM2。为提高数据的传输速度，保证显示效果的连续性，在系统中采用双体切换技术来完成数据存储过程。也就是说，采用双SRAM存储结构，两套完全独立的读、写地址线和数据线轮流切换进行读写。工作时，FPGA在一个特定的时间只从两块SRAM中的一块读取显示的数据进行显示，同时另外一块SRAM与MCU进行数据交换。MCU会写入新的数据，依次交替工作，可实现左移、上移、双屏等显示模式。如果显示的内容不改变，即一块SRAM里的数据不变时，MCU不需要给另外一块SRAM写数据。

图4 单片机与FPGA接口及数据读写模块结构框图

图5 数据读写状态转换图

该模块采用VHDL有限状态机来实现，整个控制分为4个状态，其状态转换图如图5所示。其工作过程如下：系统开机进入初始状态ST0，单片机的写入使能端E为低电平，单片机从EEPROM中读取数据并把数据写入到SRAM1，同时FPGA读取SRAM2中的数据;当单片机数据写完一屏数据后E变为高电平，当FPGA从SRAM2中读完数据、结束信号READ_END为低电平时，进入ST1状态。

在ST1状态下，若没有新的数据写入则E保持高电平，FPGA读取SRAM1的数据，为静态显示;只有当单片机的读入控制信号E为低电平且READ_END为低电平时，进入ST2状态。在ST2状态下，单片机把数据写入SRAM2，同时FPGA读取SRAM1的数据，单片机数据写完后E变为高电平，当FPGA一屏数据读完后READ_END为低电平，进入ST3状态。在ST3状态下，如果没有新数据写入E为高电平，FPGA读取SRAM2中的数据。当单片机有新的数据写入时E变为低电平，当FPGA一屏数据读完后READ_END为低电平时，重新进入ST0状态。通过这种周而复始的交替工作完成数据的写入与读取，其端口程序如下：

ENTITY WRITEREAD_SEL IS

PORT(

REST:IN STD_LOGIC;

CLK:IN STD_LOGIC;

E:IN STD_LOGIC; 单片机写入标记

WR:IN STD_LOGIC;单片机写控制信号

ADDR_WR:IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);单片机写地址信号

ADDR_RD:IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);读地址信号

DIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);单片机写入数据

READ_END:IN STD_LOGIC;读一屏数据结束标记

D1，D2:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SRAM数据

AD1，AD2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);SRAM地址

WR1，WR2:OUT STD_LOGIC;SRAM的写控制信号

OE1，OE2:OUT STD_LOGIC; SRAM的读控制信号

DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));输出数据

END ENTITY WRITEREAD_SEL;

3.3 读地址发生器

读地址发生器主要产生外部缓存器SRAM1(SRAM2)的读地址信号，使系统能正确地从存储器中读取相应的显示数据。其地址最高位为0，其余地址分别为行地址(hang[30])、列地址(lie[60])、分区地址(qu[30])15位有效地址信号。在16个脉冲周期内读出在SRAM1(SRAM2)中的16字节数据，其部分VHDL源程序如下：

ENTITY addressIS

PORT(

RDCLK:IN STD_LOGIC;读地址时钟信号

CLR，ADDR_EN:IN STD_LOGIC;清零及使能控制信号

READ_END:OUT STD_LOGIC;一屏数据读完信号

ADDR_RD:OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)); 产生的读地址信号

END ENTITY address;

3.4 译码器

译码器模块主要是产生16路的分区信号(低电平有效)分别控制16个锁存器，把16个分区的显示数据分别锁存在相应的锁存器中。

3.5 数据锁存器组及移位寄存器组模块

数据锁存器组模块由16个8位锁存器组成锁存器组，锁存16个分区的数据。移位寄存器组模块由16个8位移位寄存器组成，把各路锁存器中8位并行数据转换成同时输出的16路串行数据，驱动LED显示屏，实现数据的并串转换。

其生成的元件符号如图6所示。其中，DATA_IN[70]为每个分区的8位并行数据输入，SCLK为移位时钟，CLR为清零信号，LOAD为数据锁存信号，CS[150]为16分区的输入信号(接译码器的输出)，DATA_OUT[150]为16路的串行数据输出。

图6 并串转换元件符号图

3.6 脉冲发生器

系统采用1/16的扫描方式，把数据分为16分区，16分区数据同时传送。假设刷新的频率为60 Hz(即周期为16.67 ms)，每一行显示的时间约为16.67 ms/16=1.04 ms。每行有1024位，则移位脉冲周期为1.04/1024=102 μs，即移位频率为0.983 MHz以上才能满足要求。由于移位脉冲是数据读取模块时钟的2分频，因此系统的时钟至少1.97 MHz以上，本系统采用50 MHz时钟源。其时序图如图7所示。

其中，RDCLK为FPGA读取数据时钟;SCLK是串行输出的移位时钟，是RDCLK的2分频;LOAD是数据锁存信号，每次读完16个分区中的某个字节数据DATA后产生锁存信号，数据锁存在数据锁存器组中，其时钟是RDCLK的16分频。

4 FPGA控制模块的仿真测试

在QuartusII 5.1中建立一个工程，并建立原理图文件，把单片机与FPGA接口及数据读写模块、读地址发生器、译码器、行地址发生器、数据锁存器、移位寄存器、脉冲发生器等单元模块所生的模块元件符号连接起来，构成总控制模块逻辑图并对其功能仿真。仿真结果如图8所示，从存储器中读取16字节数据，经并串转换输出16路的串行数据。从波形图分析，功能正确，且各输出端口信号均符合时序要求。

图8 FPGA控制模块仿真图

实时映射屏是一种同步显示屏,基本功能是实现LED显示屏实时映射计算机屏幕内容,包括在多媒体卡的支持下显示Video视频图像。把数据从主机显卡的特征口或视霸卡上把显卡处理好的要显示数据取出来,然后对这些数据做一定的处理送到LED显示屏。这种方式可以不用带CPU的控制器,甚至只需要做出一块硬件卡就可以实现。256级灰度LED显示系统能使LED显示屏完成与计算机同步显示,并使之达到高性能显示效果。256级灰度LED显示控制由多媒体卡、视频控制器、长线驱动,接收卡及显示单元构成。视频控制器从多媒体卡的标准显示接口获取数字化的显示信号,将其转换为显示屏所需的信号格式,它还可以从计算机的标准接口获得控制信号,用户通过计算机软件完成LED显示屏的控制调节,并使得显示屏能适应不同规格多媒体卡,具有高度的兼容性。

LED显示屏控制系统(LED Display Control System)，是按照用户需求控制LED大屏幕正确显示的系统，按照联网方式分为联网版和单机版两大类。联网版又称为LED信息发布控制系统，可以通过云端系统控制各个LED终端。单机版又称LED显示屏控制器、LED显示屏控制卡，它是组成LED显示屏的核心部件、主要负责将外部的视频输入信号或者板载的多媒体文件转换成LED大屏幕易于识别的数字信号，从而点亮LED大屏幕的设备，其类似于家用PC中的显卡，区别在于PC中显示器为CRT/LCD等，本系统中显示器则为LED大屏幕。按照接入信号方式则可分为同步系统和异步系统。

通信显示屏系统通信显示屏是一种异步显示屏,异步方式是指LED屏体本身就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图片等显示信息或者是汉字的区位码、图片号等和各种控制命令通过串口或其他网络接口传入LED屏控制器,调用预先存放在控制器的各种数据信息,按照要求把接收的指令处理成显示屏需要的点阵数据,发布到显示屏上。