基于FPGA的旋转LED显示设计*

梁振楠，彭富林，汤勇明

(东南大学电子科学与工程学院，南京210096)

基于FPGA的旋转LED显示设计*

梁振楠，彭富林，汤勇明*

(东南大学电子科学与工程学院，南京210096)

设计开发一种采用FPGA作为控制核心的旋转LED显示器方案。针对动态图案显示功能的需求，设计了硬件系统组成方案及FPGA内部算法，其中，利用NiosⅡ软核完成了高速图像信号的处理，无线通讯和无线供电设计为旋转工作模式的实现建立了基础。本系统已完成如贪吃蛇游戏、文字和图像动态显示等应用开发，提供了良好的用户视觉感受与娱乐体验。

旋转显示器;LED;FPGA;NIOS核;无线通信

在显示技术迅速发展的今天，LED显示屏作为一种新型信息发布媒体，给人们带来了一种全新的视觉体验。LED(Light Emitting Diode)显示屏由发光二极管阵列构成。发光二极管是一种电流控制器件，具有亮度高、体积小、单色性好、响应速度快、驱动简单、寿命长等优点，因此得到了广泛的应用［1］。

目前，市场上的LED显示屏均为平板LED屏。这种屏具有显示稳定、显示内容易修改的优点，但是平板显示屏的显示原理要求显示屏上的每一像素点对应一个LED，这样造成了平板显示系统造价过高、显示控制系统庞大、功耗大等缺点，而且由于几何结构的限制，决定了平板显示屏的视场较小［2］。

本文研究了一种采用单排蓝光LED灯作为显示载体，利用人眼的视觉暂留原理，以FPGA作为控制平台的显示器设计方案，对系统内部算法进行合理划分和处理，充分利用 FPGA的 NIOS软核技术［3-8］和高速并行处理能力，开发实现了旋转LED显示信息平台。新型的旋转LED显示屏可以克服平板LED屏的上述不足，并且所用LED数量大大减少，使得制作成本和功耗大幅降低。

1 总体方案

本系统的工作原理基于对简单二维LED点阵显示屏［9］的扩展，采用FPGA开发平台DE0作为控制系统，用电机将静态的LED灯旋转起来，利用人眼的视觉暂留效应实现静态图像显示和动态动画显示，实现LED显示屏的功能。该系统主要由控制模块、LED显示模块、电机模块3个模块组成。系统总体功能如图1所示。

控制模块的作用是通过实时检测LED转到的位置，控制各个LED灯的亮灭，实现所需的文字或者图案显示功能;LED显示模块的作用是接收并处理控制模块发送过来的控制信号，驱动LED灯;电机模块的作用是保证LED显示模块能够以超过人眼识别的转速平稳、安静的旋转起来。

图1 系统结构框图

2 硬件组成

2.1 控制平台

根据系统实现中数据的快速处理以及外部接口的灵活配置要求，采用Terasic公司生产的DE0开发系统作为控制平台。DE0开发系统以Altera公司CycloneⅢ系列中的EP3C16FPGA芯片为核心，可提供15408个逻辑单元以及346个I/O口，满足本旋转LED屏系统的控制平台设计需求。

2.2 LED显示模块

LED显示模块选用STC12C5A32S2单片机作为驱动部分的控制芯片，通过该款单片机处理无线模块接收到的控制信号，同时控制LED灯的亮灭。

LED显示屏由20个贴片LED灯组成，20个LED排成一列，每个LED与其他LED之间留有一定的间距，最外面一个为蓝色LED，其余都为红色LED。由于贴片LED发光所需的功率较小，因此可以用单片机的引脚的高低电平控制灯的亮灭，这样就可以单片机的一个引脚对应一个LED灯，使得同时控制20个LED显得极其简单。

显示模块的具体电路如图2所示。其中包括单片机工作所需的外围电路，烧写程序所需的下载口，以及整个模块的电源模块。

图2 显示模块

2.3 电机及无线供电模块

为了使LED显示模块能够以超过30 cycle/s的转速平稳旋转，我们选用5V直流电机来带动整个显示模块的旋转。

在显示模块告诉旋转过程中，通过导线给整个模块供电的想法显然是不现实的，为此，我们结合显示模块所需的电源功率，比较了类似发电机的电刷供电方法与电磁感应线圈供电方法。在满足系统要求的前提下，决定采用更为方便快捷的电磁感应线圈供电方法。为此，我们需要将供给电机的直流电压转变为交流电压，供给线圈，然后通过电磁感应，将电压传递给显示模块，同样，显示模块中的电源模块会将接收到的交流电压转变为模块所需的直流电压。直流电压转变为交流电压的电路如图3所示。

2.4 人机交互模块

人机交互媒介采用触摸屏，显示部分采用SSD1289IC控制器驱动的TFT屏［10］，分辨率为320× 240，显示画面清晰，触摸感应部分采用ADS7843IC。

SSD1289IC提供了多种通信方式，例如SPI模式传输，8080-16 bit并行传输等。为提高刷屏速率，优化系统，我们采用了8080-16 bit并行传递模式，并通过时序优化，很好地实现了TFT屏显示。总的工作原理为:将图片按照RGB565模式取模保存，显示时利用SDRAM作为缓存。每次刷屏时依次将每个像素点的RGB值通过16 bit并行模式传递给SSD1289IC内部RAM，从而实现图片显示。

ADS7843是一个内置12 bit模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7 V～5 V，参考电压VREF为1 V～+VCC，转换电压的输入范围为0～VREF，最高转换速率为125 kHz。因其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速A/D转换。

ADS7843支持两种参考电压输入模式:一种是参考电压固定为VREF，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。采用差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。为提高采样精度，IC选用了差动模式进行采样。

3 软件设计

系统采用NIOS的单CPU工作模式和MCU两者结合的控制方式，CPU主要负责模式切换、内部算法处理和无线通信数据的接收和发送，MCU主要进行无线通讯数据的接收和发送、显示模块位置信号的检测、驱动显示模块的LED灯，两者之间通过NRF2401无线模块通信。上电复位后，两部分分别加载程序数据，并进行各功能模块的初始化。可以通过触摸屏与系统进行交互，实现模式控制、音频播放等。软件工作流程如图4所示。

图4 软件流程图

3.1 LED显示设计

为使一排LED灯通过旋转的方式利用人眼的视觉暂留原理显示出各种图案，文字，必须控制好每一个LED灯的亮灭，这也正是整个设计的关键所在。为此，我们采用一对红外对管，通过检测红外信号的方式来检测显示模块旋转到的位置，基于此位置信号，配合延时函数来实现对每个LED灯的实时控制，从而达到显示各种静态、动态图案的效果。

旋转的显示模块底端有一个红外发射管，而固定的底座上有一个红外接收管，当两个管子旋转到对准状态时，会出现一个电平的跳变，因此，就可以表明现在显示模块已经旋转到两对管对转的位置。以此作为触发信号开始执行代码，通过延时控制每个LED灯的亮灭，从而完成一圈的显示效果。因此，通过适当的修改代码，就可以采用这种控制方式显示各种各样的图案。

3.2 无线通信设计

为了在电机告诉旋转的前提先实现FPGA控制模块与 LED显示模块的实时通信，我们采用NRF2401来实现该无线通信功能［11］。

NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接收时工作电流只有18 mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其 DuoCeiverTM技术使NRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。NRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

NRF2401有4种工作模式:收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。按照无线模块的收发机制，通过配置不同的模式来实现数据的传输，保证控制模块和显示模块通信的实时性和准确性。

3.3 应用开发设计

系统除了可对LED屏实现可控显示外，还进行了动态文字及图像显示以及贪吃蛇小游戏等应用开发。应用开发的关键在于对各个LED的显示位置与时间进行可控设计，在充分考虑人眼视觉特征的情况下，通过良好的逻辑设计，以实现相关的应用开发。

贪吃蛇游戏的软件开发，结构简单清晰，体现了良好的逻辑设计。软件设计将LED显示和贪吃蛇内部数据处理分开，以达到各模块的独立性和简洁性。

4 实现结果

从二维显示出发，利用人眼的视觉暂留效应实现了旋转LED显示效果。该系统可以进行图像的静态显示和动态显示，并添加了动态的小游戏。具有很好的观赏性和娱乐性，易于移植，能够替代矩阵型LED显示屏实现各种图案的显示，有很高的实用价值。由于控制部分设计需求较为复杂，本文采用NIOS软核实现。通过NIOS技术，结合MCU同时工作，解决了设计具体实施中遇到的接口较多，算法复杂等难题。为提高系统实时性，采用NRF2401无线模块进行数据传输，效果也很理想，实际效果如图5所示。

图5 实际效果图

当然，该作品仍有较多改进空间，如由于限于硬件资源的限制，旋转LED显示屏的分辨率还不是很高，只能显示一些简单的图像和动画，同时，现在只能进行单色显示，有可能进行全彩LED［12］显示改进。如果应用于一些较大型的场所，只要按照给出的设计方案对外围电路进行相应扩展就可以成功实现。

［1］ 方志列.发光二极管材料与器件的历史、现状和展望［J］.物理学和高新技术，2003.259-301.

［2］ 诸昌钤.LED屏原理及工程技术［M］.成都:电子科技大学出版社，2000.

［3］ 杨军.基于FPGA的SOPC实践教程［M］.科学出版社，2010.

［4］ 赫建国，倪德克，郑燕.基于NiosⅡ内核的FPGA电路系统设计［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［5］ Altera Corp.Creating Multiprocessor NiosⅡSystem Tutorial［EB/ 0L］.Altera，2011.

［6］ 高世明，孟令军，李宝刚.基于NIOS多核处理器的JPEG解码的设计与实现［J］.器件与应用，2011，35(5):42-44.

［7］ 张荣，黄海莹，李春枝.基于NIOSⅡ软核处理器的嵌入式测试系统软硬件设计研究［J］.计算机测量与控制，2012(2):303-306.

［8］ 彭澄廉.挑战SOC一基于NIOS的SOPC设计与实践［M］.北京:清华大学出社，2004.

［9］ 王浩然，秦会斌.LED点阵屏显示单元的设计与驱动控制［J］.电子器件，2010，33(5):550-552.

［10］康志强，汪佳.基于FPGA的3D光立方设计［J］.电子器件，2012(6):683-687.

［11］陈丽娟，常丹华.基于nRF2401芯片的无线数据通信［J］.电子器件，2006(1):248-250.

［12］谈卫星，胡建人.基于STM32的全彩LED显示屏系统的设计［J］.电子器件，2011，34(3):258-260.

梁振楠(1992- )，男，汉族，山西平遥人，本科生，东南大学电子科学与工程学院，pumpkin_xixi@163.com;

汤勇明(1973- )，男，汉族，江苏苏州人，博士，研究员，东南大学电子科学与工程学院。主要从事电路与系统、显示电子学领域的教学和科研工作，tym@seu.edu.cn。

Design of Rotating LED Display Based on FPGA*

LIANG Zhennan，PENG Fulin，TANG Yongming*
(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

A rotating linear array LED display system based on FPGA controller core is presented.According to the dynamic pattern display function requirement，the hardware system and the internal algorithm have been properly designed with the application of NiosⅡsoft cores.The system completes high-speed graphics processing and extends peripheral interface such as the wireless communication，touch screen，and so on.The platform provides good visual and entertainment experiences with application programs，such as Snake Game，text display and so on.

rotating display;LED;FPGA;NiosⅡsoft cores;wireless communication

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.007

TN873;TN791

A

1005－9490(2014)02－0200－04

项目来源:学科竞赛项目

2013-06-10修改日期:2013-07-07

EEACC:4260D