基于Cyclone EP1C6和SPCE061A的LED大屏幕系统设计

spce061a和cyclone ep1c6简介

spce061a是凌阳科技的一款16位微控制器，内嵌32kb闪存和2kb字sram，cpu最高可工作在49mhz的主频下，较高的处理速度使spce061a能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号。本文设计的是一个点阵大小为192×128的单色（红色）显示屏，且按要求连续显示5屏数据，spce061a丰富的片内资源正好满足了如此大的数据处理和存储要求。本文采用由uart中断接收上位机数据并将数据写入32kb闪存中的方法，取代了传统mcu＋rom＋ram的设计，增加了系统的稳定性。

cyclone ep1c6是altera推出的一款高性价比fpga。该器件提供的具有异步、双端口、带寄存器输入口、可选择的带寄存器输出口的存储模块－m4k在本设计中被设置成一个双口ram，实现数据的读写同步，提高了系统的刷新频率。

整体设计方案

本系统设计的是一块具有192×128个红色led点阵的电子大屏幕。整块大屏幕是模块化的结构，每4个16×16的点阵块为一个最小模块，每行点阵由3个同样的最小模块级联而成，共8行。大屏幕上要求连续显示5屏内容，且每屏都具有上下左右移动等动画效果。实际应用中主控制室距离电子屏约为200米。结合设计对象的要求和大屏幕设计的特点，本文提出了一种新颖的设计方案。该方案的整体框图如图1所示。

led大屏幕系统由3个主要单元组成：上位机图像/文字编辑与发送部分单元、主控板单元、显示驱动电路单元。系统上位机由一台pc机来控制，它主要编辑、发送图像/文字信息到主控板的存储器中；主控板对这些字模数据进行处理后发送到大屏幕，并在大屏幕上显示出来。

系统硬件设计

上位机发出的信息经符合rs－422标准的接口通过双绞线传送到主控板上，通讯速率可在上位机软件中设置。接口所用芯片为mc3487和mc3486，rs－422在传输率为100kb/s时，可传输的最大距离为1200米，本系统的传输距离约为200米，传输速率最大为115kb/s，采用rs－422方式传输可满足这一长距离通讯的要求。

主控板单元设计

该单元的设计特点在于数据流接收、存储以及驱动扫描的单片集成，无须任何外围电路。主控板由一片spce061a和ep1c6组成，如图2所示。

该单元的设计思路是，由单片机的iob7口以uart中断的方式接收上位机发送的数据，这是由于大屏幕处于被动、循环往复的显示状态，采用异步传输能减少系统不断查询串口接收标志位的系统消耗。单片机将接收的串口数据以两个字节为单位逐一写入内置的闪存中。单片机内部的2kb sram作为缓存区，每当单片机要向fpga中写一屏新的数据时，先按特定的地址从闪存中读出数据并存放到sram中，再将sram中的数据并行写到fgga的双口ram中，单片机与fpga的接口信号除了16根数据线外，还包括单片机向fpga写数据的地址、写使能和写时钟。由于每屏点阵数为192×128，16位数据并行传输所需的地址线为11根。但由于设计需要，系统中还专门设置了1根额外的地址线，用于对fpga的双口ram进行读写分区，因此共使用了12根地址线。

fpga在其内部配置一个双口ram缓存单片机写入的数据，同时将这些数据按照大屏幕的结构和扫描电路的特点选择性地读出，然后对数据由并转串输出到大屏幕的扫描驱动电路。由于大屏幕采用模块化的隔行扫描方式，每行需要2根数据线进行隔行传输，整块大屏幕共需16根数据线。由于点阵的行列驱动均采用74ls595驱动，故fpga还应产生列扫描的点时钟、锁存信号和行扫描的数据、时钟、锁存信号。

双口ram的配置

由于数据显示是一种动态扫描方式，如果采用一个ram区，当单片机写ram时，fpga只能处于等待状态，这样就会导致屏幕动态扫描停止。由于屏幕数据是移位输出的，当扫描停止时，因为会有某一行的高电平保持较长的时间，该行就会一直保持较强的亮度，影响屏幕的显示效果。本系统中设计了2个同样大小的ram区：a区和b区，让单片机交替进行写操作。当单片机在写a区时，fpga就去读b区的字模数据；当单片机写b区时，fpga就去读a区的字模数据。这样就不会造成fpga的停止扫描，保证了各行的点阵有相同的时间占空比，使屏幕点阵有同样的亮度。单片机中的highadr引脚可用于控制单片机的写区和fpga的读区。

由于每屏点阵数据的大小为1536字，a区和b区的容量都至少要大于1536，那么整个的ram区至少为1536×2字，考虑到ep1c6内部集成了20块容量为256字的m4k模块，正好可以满足本系统对ram的需求。双口ram的配置如图3所示。

其中wren是单片机往fpga中写入数据的写使能信号，wraddress[11..0]是写地址信号，wrclock是写时钟，data[15..0]是写数据，rdaddress[11..0]是读地址信号，rdclock是读数据的时钟信号，q[15..0]是读出的数据。对于这个双口ram而言，只有q[15..0]是输出端口，其他均为输入端口。与写数据相关的信号全部由单片机产生，读数据的所有信号由fpga产生。其中读写地址的最高位可实现ram分区。

点阵驱动电路

本系统中led的灰度等级是采用调制占空比的方法来实现的，由于大屏幕是单色点阵，主要用来显示文字信息，所以要求亮度高且均衡。根据这一特点，采用了模块化的隔8行扫描方式。每隔8行点阵同时进行扫描，则每行的占空比是1/8，使屏幕亮度得到保证。

点阵的驱动电路分为行驱动和列驱动，列驱动采用串行数据传输方式，易于模块化。列驱动电路由74ls595组成，行驱动电路由74ls595和与之配套的反相器7406、pnp达林顿功率三极管tip127组成。所有作为行驱动74ls595的数据时钟信号、数据锁存信号、扫描数据、时钟、锁存信号都在一起，所有作为列驱动74ls595的数据时钟信号，数据锁存信号、扫描数据、时钟、锁存信号也是在一起的，这样可以实现大屏幕的同步显示。

软件设计

系统的软件设计由3部分组成：上位机图像/文字编辑与发送软件设计、单片机控制单元软件设计，以及fpga控制单元软件设计。

上位机软件设计

上位机的图像/文字编辑与发送软件由visual basic编写，只须在界面中将屏幕大小设置为192×128，串口选择com1或com2，波特率设置为9600，并设置每屏的起始地址和要发送的屏数，调入包含相关信息的文件，点击“发送”按钮即可，数据流经符合rs－422标准的双绞线传输到主控板。该软件适用于任何大小的彩色/单色屏，提供了丰富的图形/文字编辑、修改功能。也可以直接调用windows中的16色画图文件（*.bmp），从而可以利用windows或基于windows的各种作图工具设计出丰富多彩的图像。

单片机控制单元软件设计

单片机控制单元的软件设计主要实现3大功能：串行数据接收、数据输出和图像显示方式变换。设计流程如图4所示。串行数据接收部分主要是通过uart中断接收并保存位图文件。图像显示方式变换部分实现图像的变换，如上移、下移、左移、右移等，以实现丰富多彩的图像显示效果。

fpga控制单元软件设计

fpga控制单元是在quartusⅱ环境下开发的，主要功能是配置双口ram、传送数据和相应的驱动信号，以实现串行数据的显示。串行数据显示是软件设计的核心，该单元的软件设计模块如图5所示。

双端口ram的配置完全由软件实现，fpga读双口ram的a区还是b区是由单片机的highadr引脚控制的。fpga按照显示驱动的要求读出相应的数据后，还要将这些数据由串转并送至列驱动的74ls595上。扫描控制信号则在数据送到显示驱动的过程中产生，用于实现行、列驱动。

结语

本文提出的基于cyclone ep1c6和spce061a的led大屏幕方案已应用于现场。其基于fpga的双口ram和扫描控制设计使得系统稳定可靠。实践证明，本系统能以多种播放方式显示各种字体和型号的文字和图形信息,与同类设计相比,画面清晰，性能稳定、操作使用简单，具有很好的应用前景。