LED点阵显示控制系统的设计与研究

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摘 要：为了实现led控制系统的实时性和交互性，文章给出了一种基于SOPC技术的LED点阵显示控制系统解决方案。阐述了以Cyclone芯片为核心的基于NiosⅡ的嵌入式16×16点阵的LED显示屏控制系统的设计方法。

关键词：SOPC；LED；控制系统言

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）03-0008-02

LED点阵显示控制系统已经随着SOPC技术的产生和发展显示出它不可比拟的优越性。基于SOPC户内型16×16LED点阵显示屏的控制系统设计，主要实现显示内容的自动播放。可根据要求在LED点阵显示屏上实现256像素以内的文字、字符或图形显示播放。该LED点阵显示屏处于一种循环显示方式，采用异步传输方式。

1 系统总体方案设计

基于SOPC的LED点阵显示系统由主控板和显示部分组成，系统组成框图如图1所示。主控板包括芯片主模块、电源电路、串口通信模块、时钟和复位电路、Flash模块、SDRAM模块、USB模块等，完成显示控制和信息存储。显示驱动电路完成点阵显示屏的驱动。

2 系统硬件设计

硬件设计主要包括主控板设计和显示驱动电路设计两部分。硬件系统组成框图如2所示。

2.1 主控板设计

主控板由一片Altera公司Cyclone系列芯片EP1C12Q240C8构成。主控电路的组成框图如图3所示。

主控系统所需的3.3 V和1.5 V两种供电电压由电源电路提供。FPGA主模块芯片EP1C12Q240C8N主要包括四大基本模块：输入输出单元（Input/Output Element）、逻辑单元（Logic Element）、M4K Block、锁相环PLL。串口通信模块采用Maxim公司的通用串口芯片MAX3232。该芯片实现RS-232电平与FPGA电平的相互转换。Flash模块采用AMD公司AM29LV160芯片。考虑FPGA正常工作的系统时钟为50 MHz，设计时钟电路，为FPGA提供系统工作时钟。同时考虑实际电路在工作时的复位问题，设计复位电路用以实现系统复位。考虑Nios II软核处理器工作的实际情况和软硬件结合程序运行的需要，设计SDRAM模块，SDRAM采用K4S643232。USB模块采用USB2.0协议构建接口电路，提供USB通信方式，USB模块采用CY7C68013芯片作为USB微控制器。

2.2 显示驱动电路

采用2片74LS138和4片74LS00构成显示驱动电路。使用2片74LS138构成译码电路，输入四位列选信号，再译码为16为信号，控制16×16点阵显示屏的列信号。当列选信号经过与门电路为高电平时，列选信号有效，相应列做好点亮准备。同时行选16位信号直接通过排阻加到LED点阵显示屏的行选通端，控制相应行信号的点亮。当行选信号和列选信号均为有效高电平值时，相应交叉点的LED像素点点亮。即通过主控FPGA及相应电路送给显示驱动电路相应电平值，控制LED点阵显示屏相应像素点的亮灭，从而达到动态循环显示信息的目的。

3 系统软件设计

软件设计主要包括：IP核的设计、Nios II嵌入式处理器系统设计与实现。

3.1 IP核的设计

通过对控制核的定义可实现Nios II CPU对片外SDRAM芯片的控制。Nios II CPU在向SDRAM写数据时，首先通过Avalon总线将数据传输给SDRAM控制核，然后SDRAM控制核再根据SDRAM芯片的数据传输协议和工作时序将数据写入SDRAM中。SDRAM的数据读出方式与写入方式类似，首先根据SDRAM芯片的工作时序和数据传输协议将数据读入SDRAM控制核，然后再读入Nios II CPU进行处理。

3.2 Nios II软件设计

使用C语言进行系统软件开发。通过编写相应的系统算法软件，针对FPGA芯片的定制信息运行程序，完成系统功能。主程序流程图如图4所示。

主程序开始后首先进行初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口。暂停大约3 s后，以文字左滚动、右滚动、由上而下显示、由下而上显示等不同效果显示存于字库中的汉字或图形。并循环执行，直至结束信号到来，结束程序流程。

4 系统性能测试

经过软硬件系统的协同设计、调试和运行，达到了系统设计功能，在16×16LED点阵显示屏上可以稳定清楚地以不同方式显示256像素的汉字或图形。

参考文献：

[1]曾繁泰.EDA工程的理论与实践——SOC系统芯片设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2] 王建校，危建国.SOPC设计基础与实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[3] 郭书军.嵌入式处理器原理及应用——Nios系统设计和C语言编程[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] 谭浩强.C语言程序设计教程[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5] 朱明成.可编程器件逻辑器件原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.