摘" 要：LED显示屏因其低成本、高亮度、易维护等优势，逐渐成为主流的大型显示设备。文章描述了运用单片机H8/3048和FPGA芯片EPF10K10TC144-4作为主控制器件的LED显示屏设计方案，该方案运用单片机进行算法控制产生显示的数据信号和同步的控制信号。同时，运用FPGA搭建逻辑功能模块，用于接收信号，存储信号，将信号从串行输入变换成并行输出，再将信号传递给三极管功率驱动器件和LED显示屏，从而生成可静止、可上下左右移动显示的性能稳定的绿色、红色和橙色的三基色LED显示屏。
关键词：单片机；FPGA；三基色；LED显示屏
中国分类号：TN873" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）21-0016-04
Design and Implementation of Three Primary Color LED Display Screen
TANG Meiling， WANG Xiaobing， LIN Bizhong
（Hangzhou Wanxiang Polytechnic， Hangzhou" 310023， China）
Abstract： LED display screens have gradually become mainstream large-scale display devices due to their advantages of low cost， high brightness， and easy maintenance. This paper describes a design scheme for an LED display screen using single-chip microcomputer H8/3048 and FPGA chip EPF10K10TC144-4 as the main control devices. The scheme uses a single-chip microcomputer for algorithm control to generate displayed data signals and synchronous control signals. At the same time， FPGA is used to build logic function modules for receiving signals， storing signals， converting signals from serial input to parallel output， and then transmitting the signals to triode power driving devices and LED display screens， thereby generating green， red， and orange three primary color LED display screens with stable performance that can be stationary and move vertically and horizontally.
Keywords： Single-chip Microcomputer; FPGA; three primary color; LED display screen
0" 引" 言
科学技术水平的提升，推动了发光二极管（LED）制造工艺进步，不同颜色的发光二极管的光效、色差等均得到改善[1-3]。与目前主流的LCD和OLED显示技术相比，LED显示技术拥有响应速度快、视角大、亮度高、寿命长、色彩表现力好等优点，被公认为是未来最具成长潜力的新兴显示技术方向[4]。LED电子显示屏是利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕，能够显示数字、符号、图像、视频[5-7]，还能够通过红绿蓝三种LED组合成任一颜色系统，具有高清晰度、色彩鲜艳、视角大、工作稳定、寿命长、功耗低等优点，广泛应用各种场合，如演唱会、舞台剧、展览展示、商场广告、体育比赛等，为活动、演出、会议和展览等场合等室内外文字、图形、图像以及视频的显示[8-9]。伴随着信息产业的快速发展，LED显示屏成为各行各业重要的信息传递工具。LED巨大的市场使得它将成为一个庞大的产业[10-11]。本文给出了一种基于单片机和FPGA控制器的LED显示屏控制方案，实现了具有高刷新率的三基色LED显示控制系统。下面以Renesas公司推出H8/3048单片机和Altera公司推出的EPF10K10TC144-4的FPGA为例，详细的介绍了LED显示屏的软硬件设计方案。
1" LED显示屏整体结构
本系统由单片机主控制板、FPGA控制的LED显示板和开关电源三部分构成，其结构示意图如图1所示。电源接收220 V，50 Hz的工频交流电，经过降压、整流、滤波和稳压转换，产生+5 V，2 A的直流电供给单片机、LED显示板和驱动电路使用。单片机主控制板和外部PC通过RS232通信总线进行数据交换，同时向显示板发出控制和数据信号。显示板通过接收数据进行处理和变换，控制矩阵LED点阵的显示。图1中1#至8#都包含数据时钟信号（Clk）、帧脉冲信号（Fp）、面切换信号（Bank）、串行数据信号（Data）、复位信号（Rst），其中1#处的串行控制信号和数据信号来自主控制板的输出，2#处的信号来自LED显示板1#的输出，3#处的信号来自LED显示板2#的输出，依次传递。串行显示数据信号在传给LED显示板后经过FPGA的逻辑变换控制以16位并行数据的方式发送给LED模块进行显示。
2" 电源的设计
2.1" 电源的设计
电源相当于是系统的心脏，给系统提供能量，其性能是保证系统稳定运行的前提，本电源采用传统的交直交电源模式设计出性能稳定的电源。电源主要由降压变压器、整流桥、滤波电路和稳压电源变换电路四部分组成，如图2所示。降压变压器接收220 V，50 Hz的工频交流电变换成低压交流电（AC-AC）。整流利用二极管的单相导电性将交流电整流成脉动直流电（AC-DC）。滤波电路由大电容滤除高频杂波。稳压电源变换电路由MC34063变换器进行降压、稳压变换产生+5 V，2 A的直流电源。其中，MC34063变换电路中采样MOS管IRF9530进行电流放大，同时MC34063变换器实现了电源的高频化，进而减轻了电源的体积和重量。该电源用于给单片机主控制板、LED显示板1～8号提供稳定的+5 V，2 A的直流电源。
2.2" 电源的测试
电源测试结果如图3所示。当图2中滤波器的输出电压V1 为16 V、20 V和26 V时，电源输出的直流电压V0随着负载电流的增大变化的波形如图3（a）所示。由图可知，当负载电流增大至3 A左右时，此时电源输出超载运行，输出电源电压开始明显下降，此时系统不能稳定运行。而当输出电流小于3 A时，电源电压在5 V基本稳定，此时电源能够稳定带动负载运行。图3（b）可知，当负载电阻为5 Ω，10 Ω，15 Ω时，电压输出的纹波均不超过2.5%，其精度超过97.5%，性能很好。本电源的负载电流要求为5 V，2 A，纹波小于5%。因此，因此电源设计满足系统要求。
3" 单片机控制板的设计
3.1" 单片机控制板的设计
由于单片机具有控制精度高、稳定性好、成本低等优点，被广泛应用于各种自动化控制系统中。LED显示屏一般是以单片机为核心芯片控制显示行驱动器和显示列驱动器来驱动显示屏显示。显示的扫描采用逐行动态扫描的方式，使得数字、符号、图形、文字灯信息能够实现静止、移入移出等多种显示方式。用C语言进行编程，通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。这样的产品成本低、设计方便，比较适用于较简单的LED显示屏的实现。
本文主控制板应用Renesas公司的H8/3048单片机芯片进行编程设计，利用单片机控制算法产生产生时钟信号（Clk）、帧脉冲信号（Fp）、面切换信号（Bank）、串行数据信号（Data）。图4为单片机软件控制功能流程图，其中初始化用于清除单片机内部存储器的初始数据，计时器操作应用计时器中断操作控制产生NAK、ACK信号，Xmodem数据包信号和EOT信号。而命令解析则根据命令的含义处理数据，生产对应的时钟信号（Clk）、帧脉冲信号（Fp）、面切换信号（Bank）、串行数据信号（Data）。
3.2" 单片机控制板的测试
单片机控制板的设计是为了产生LED点阵现实控制信号和数据信号，包含时钟信号（Clk）、帧脉冲信号（Fp）、面切换信号（Bank）、串行数据信号（Data）。其波形测试如图5所示，Sclk为晶振时钟，Clk为数据时钟，每一个时钟发一位数据，Fp为帧脉冲信号，Bank为面信号。其中，1帧数据 = 16（点）×8（块） = 128位，16的意思是每块板子一行数据是16位，8指的是有8块LED板。1面数据 = 256（位）×16（行） = 4 096位，256是指8块面板一行数据同时有两种颜色。4 096（位）÷128（位／帧） = 32（帧）。测试结果如图4所示，由图可知，N个晶振时钟Sclk产生1个数据时钟Clk，一个数据时钟发一位数据，128个数据时钟传递了128为数据，然后产生一个帧信号高电平Fp，32帧数据即为16帧橙色和16帧绿色，形成一面数据，一面数据一个Bank面信号，信号和设计要求符合。
4" LED显示板的设计
FPGA可编程逻辑器件具有高速、灵活、可重构等优点，本文采用Altera公司推出的FPGA芯片EPF10K10TC144-4作为信号接收芯片，进行数据接收和转换处理，供给LED点阵进行显示。图6为1#LED显示板的电路框图。FPGA的程序存储采用EPC2LC20存储器芯片。双基色LED显示板包含8块，每块板是16乘16的LED点阵，每个LED点里面含两种颜色的发光二极管，一种是绿色，另外一种是红色，单个灯亮显示各自的颜色，两种颜色都亮显示橙色，因此LED点阵模块是双基色的。其中1号板的电路框图如下，包括：缓冲电路U1和U2选用74hc244，用于信号缓冲作用，主控FPGA芯片EPF10K10TC144-4，即U3用于信号接收转换处理。三极管驱动放大电路分别采样三极管型号UMB3NTN和三极管2SD2153T100，其作用是电流放大和驱动。LED点阵模块HBK-2569MDO10，即U5和U6，分别为16乘8的LED双基色模块，两块板合成为16乘16的双基色模块。其他7块板的电路和1号板的电路图一样。其中8块板之间四路信号：时钟信号（Clk）、帧脉冲信号（Fp）、面切换信号（Bank）、串行数据信号（Data）和Rst（复位信号）的传输路径是，首先由单片机主控板传递给1号板，由1号板传递给2号板，由2号板传递给3号板，依次传递，直到7号板传递给8号板。每块板之间的信号：时钟信号（Clk）、帧脉冲信号（Fp）、面切换信号（Bank）、串行数据信号（Data），是串行的依次往后传递。串行信号进入LED显示板后，FPGA将数据写入存储器，再通过控制将数据：红色的数据R[1∶16]、绿色的数据G[1∶16]和共阴或者共阳选通信号C[1∶16]，并行地发出给LED点阵进行显示。
5" 三基色LED显示屏的实验测试
图7为三基色LED显示屏的实验装置及实验测试结果，实验装置包含电源，单片机控制板和LED点阵显示板。根据图示实验测试结果可以看出，该显示板可以显示红色、绿色和橙色三种颜色，实现了三基色LED点阵显示。同时，根据场景的需要，显示屏可以实现文字、数字、符号、图片等的静态和动态显示，动态显示可以向左移动，向右移动，向上移动和向下移动等，显示灵活方便。
6" 结" 论
本设计利用单片机进行算法控制产生控制信号和显示数据信号，具有控制精度高、稳定性好、成本低等优点。本设计的LED旋转显示图文系统完全实现了图文显示，显示亮度自动调整功能，及画面切换功能。在图文显示过程中，单片机的控制算法、FPGA可编程逻辑器件的逻辑方式能够根据需要变换显示的信息以及显示的方式。
同时，本设计应用FPGA可编程逻辑器件实现显示信号的处理，它具有高速、灵活、可重构等优点。设计利用FPGA内部搭建逻辑功能模块，进行信号收集，信号存储，再将串行信号变换成并行信号输出给LED点阵，能够实现灵活变化的控制方式。
本设计实现了LED显示屏的绿色、红色和橙色三基色的显示，同时也能根据场景需要实现屏幕的静态显示，动态显示：向左向右移动，向上向下滚动显示。能够显示数字、文字、字符、图片等。可以广泛应用在诸如显示、通信、数据采集、图像处理、电机控制等领域，具有广阔的市场前景。同时，本系统也可以应用于学校对于单片机、FPGA和LED显示屏的实训项目训练，产品功能多样化，应用领域广。
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作者简介：唐美玲（1975—），女，汉族，四川资中人，副教授，博士，研究方向：电气工程、电子信息。
