基于SOPC的旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘 要：提出了一種基于FPGA和SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)LED屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方法。該設(shè)計(jì)以Altera公司的EP2C20為核心，通過(guò)在單片F(xiàn)PGA中集成NIOS軟核處理器，SDRAM控制器和EPCS控制器等外圍控制器件，配合紅外接收模塊，LED控制模塊等自定義的Avalon接口模塊實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)位置感應(yīng)，紅外無(wú)線控制，彩色LED控制等功能。這種設(shè)計(jì)方案的主要優(yōu)勢(shì)在與集成化和可擴(kuò)展性，只需要對(duì)該方案進(jìn)行少量修改，便可以實(shí)現(xiàn)具有更多功能的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)LED屏設(shè)計(jì)的需要。

　　一、引言

　　LED（1ight emitting diode）顯示屏由發(fā)光二極管陣列構(gòu)成。發(fā)光二極管（LED）是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能勝任各種場(chǎng)合實(shí)時(shí)性、多樣性、動(dòng)態(tài)性的信息發(fā)布任務(wù)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。LED大屏幕是通過(guò)一定的控制方式，用于顯示文字、圖像行情等各種信息以及電視、錄像信號(hào)，并由LED器件陣列組成的顯示屏幕。LED大屏幕作為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體，正受到社會(huì)各界尤其是商業(yè)界、廣告界的極大重視，被廣泛應(yīng)用于上業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、電子景觀等。

　　目前市場(chǎng)上的LED屏基本上均為平板LED屏，這種屏具有顯示穩(wěn)定，顯示內(nèi)容易修改的優(yōu)點(diǎn)。但是平板顯示屏的原理決定了顯示屏上的每一像素點(diǎn)均與單獨(dú)的LED一一對(duì)應(yīng)，這必然造成平板顯示系統(tǒng)造價(jià)過(guò)高顯示控制系統(tǒng)龐大的等缺點(diǎn)，而且由于幾何機(jī)構(gòu)的限制，決定了平板顯示屏的視場(chǎng)較小。而新型的旋轉(zhuǎn)柱式LED屏可以克服平板LED屏的上述不足-它以機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)掃描方式代替逐行掃描，使用的LED數(shù)量大大減少，這使成本大大減低，而且可是屏幕范圍達(dá)到了360°。

　　SOPC是嵌入式設(shè)計(jì)的一個(gè)新的方向，利用SOPC技術(shù)可以將多個(gè)功能模塊集成到一塊可編程芯片上構(gòu)成可編程芯片上。將SOPC技術(shù)和旋轉(zhuǎn)LED控制有機(jī)結(jié)合起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，功能穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)LED控制系統(tǒng)，同時(shí)也有利于控制系統(tǒng)的功能升級(jí)和維護(hù)。

　　二、旋轉(zhuǎn)LED屏基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 LED陣列旋轉(zhuǎn)顯示

　　旋轉(zhuǎn)LED顯示屏是一種通過(guò)同步控制發(fā)光二極管（LED）位置和點(diǎn)亮狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖文顯示的新型顯示屏，因其結(jié)構(gòu)新穎，成本低廉，可視范圍達(dá)360°而得到了迅速的發(fā)展，其核心技術(shù)在于精確控制LED位置與發(fā)光狀態(tài)的同步。旋轉(zhuǎn)LED屏的顯示器件只有一列，并且這一列LED由轉(zhuǎn)速恒定的LED帶動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 同時(shí)由控制電路對(duì)LED的點(diǎn)亮狀態(tài)進(jìn)行同步控制，使電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，這一列LED的顯示內(nèi)容就改變一次，在旋轉(zhuǎn)到任何一個(gè)位置都有唯一確定的顯示內(nèi)容，也就是說(shuō)旋轉(zhuǎn)LED屏是采用逐列顯示的，并且采用了機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)替代替代掃描顯示，下圖中a，b，c，d是旋轉(zhuǎn)LED屏在不同時(shí)刻的顯示狀態(tài)，d是人眼視覺(jué)看到的完整的畫面“3”。

　　2.2 三基色LED的顏色灰度控制

　　本設(shè)計(jì)采用了三基色LED來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色像素的顯示，為了能實(shí)現(xiàn)豐富多彩的顏色顯示，需要對(duì)LED的顏色灰度進(jìn)行控制。這主要有兩種即驅(qū)動(dòng)電流控制法和驅(qū)動(dòng)脈沖占空比控制法，但前一種方法實(shí)現(xiàn)難度較大成本較高，而后者原理簡(jiǎn)單，容易采用數(shù)字設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，因此本文的LED灰度控制采用了占空比控制法。

　　占空比控制法控制LED的亮度實(shí)際上是控制LED點(diǎn)亮的時(shí)間。周期性地改變LED在一個(gè)周期內(nèi)的點(diǎn)亮?xí)r間的長(zhǎng)短，從而實(shí)現(xiàn)LED的亮度變化。在工作狀態(tài)下連續(xù)地改變LED在循環(huán)周期中的點(diǎn)亮?xí)r間就可以實(shí)現(xiàn)LED亮度灰度等級(jí)的連續(xù)變化。對(duì)于256色顯示，只需要采用8bit色度數(shù)據(jù)來(lái)控制LED的灰度，列數(shù)據(jù)位與占空比關(guān)系如下圖2所示：