1、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 武汉科技大学 学士学位论文 第 I 页摘 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 Altera cyclone 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
2、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 Quartus 4.0与 MAX+PLUS 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
3、的更稳定、清晰做了些探讨。关键词：LED 显示屏; 配置; Quartus ; 凌阳单片机; 飓风 FPGA 第 II 页 学士学位论文 武汉科技大学AbstractLED panels are a large-scale display system, which consist of microelectronics technique, photoelectron technique, computer technique, and information handles technique. With its wide application scope, long life span
4、, stable work function, low power consumes, high bright degree, gradually, LED panels become extensive application in display field as the information transmission and announcement measures, Such as advertise, the station, wharf, stock certificate, bank etc. it is popular display medium.This thesis
5、introduced a kind of all new LED panels control solution. The Mainly control unit use one Altera cyclone EP1C6 and one 16-bit lingyang single-chip processor SPCE061A, which both is popular in current industry control field, use the common 74LS595 as the LED display driver chip. The experiment result
6、 according to this system shows that it is a good solution with the characteristics of simplified circuit, conveniently control, stably display and good effect. this thesis first described the LEDs construction principle, module, and classification. Then gives out a brief introduction of the configu
7、ration mode for cyclone FPGA(this system adapts active mode), and gives out a detail description about the programmer software Quartus 4.0 and its unique features when compared with the MAX+PLUS , which provides reference for new system design. At last, takes Monochromatic lattice (red) of the 192x1
8、28s in this system as template, gives out the analysis of this system circuit, the principle of displaying Chinese character or figure on large screen and the algorithm for different display mode, also discussed how to make screen display more stable and clearer.Key words: LED panels; configuration;
9、 Quartus ; lingyang single-chip processor; cyclone FPGA 武汉科技大学 学士学位论文 第 III 页目 录第 1 章 LED 显示屏技术概述 .11.1 LED 原理 .11.2 LED 模块 .11.3 LED 显示屏分类 .21. 4 LED 亮度控制方法 .21. 5 LED 显示屏组成 .2第 2 章 CYCLONE 飓风 FPGA 配置 .42.1 主动配置模式 .52.2 被动串行配置 .72.3 JTAG 配置模式 .9第 3 章 QUARTUS 4.0 软件简介 .11第 4 章 系统硬件电路设计 .154.1 系统上位机
10、.154. 2 主控板 .174.2.1 SPCE061A 16 位凌阳单片机概述 .174. 2. 2 CycloneTM 系列芯片概述 .184.2.3 M4K 模块介绍 .194.2.4 cyclone 锁相环（PLLs） .204.2.5 SPCE061A 控制电路 .214.2.6 FPGA EP1C6 的大屏幕驱动信号产生电路 .224.3 点阵驱动电路 .22第 5 章 系统软件设计 .245.1 RAM 中数据存放格式 .245.2 SPCE061A 字模数据送到 RAM 中算法 .245.3 整屏数据同时上移算法 .255.4 整屏左移算法 .265.5 整屏右移算法 .28
11、5.6 主程序模块 .305.7 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武汉科技大学 学士学位论文 第 1 页第 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
12、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。 1.1 LED 原理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。
13、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3、 3.75、 5、8、15、19、26 等.1.2 LED 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
14、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 SMD LED) 图 1.1 发光二极管第 2 页 学士学位论文 武汉科技大学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。1.3 LED 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
15、；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
16、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. 4 LED 亮度控制方法 LED 亮度控制有两种方法。一种是改变流过
17、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. 5 LED 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
18、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 点阵大屏幕的控制武汉科技大学 学士学位论文 第 3 页变得越来越方便，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
19、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 4 页 学士学位论文 武汉科技大学第 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（Joint Test Action Group 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 2.1 FPGA 配置模式配置方式 描述主动模式
20、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 EPCS4 EPCS8 和 EPCS162、 EPC1 和 EPC23、 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 AS0 1 PS0 0 或 1 JTAG注意：1. MESL 引脚不能
21、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
