spce061a和cyclone ep1c6簡(jiǎn)介

spce061a是凌陽(yáng)科技的一款16位微控制器，內(nèi)嵌32kb閃存和2kb字sram，cpu最高可工作在49mhz的主頻下，較高的處理速度使spce061a能夠非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)點(diǎn)陣大小為192×128的單色（紅色）顯示屏，且按要求連續(xù)顯示5屏數(shù)據(jù)，spce061a豐富的片內(nèi)資源正好滿足了如此大的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)要求。本文采用由uart中斷接收上位機(jī)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入32kb閃存中的方法，取代了傳統(tǒng)mcu＋rom＋ram的設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

cyclone ep1c6是altera推出的一款高性價(jià)比f(wàn)pga。該器件提供的具有異步、雙端口、帶寄存器輸入口、可選擇的帶寄存器輸出口的存儲(chǔ)模塊－m4k在本設(shè)計(jì)中被設(shè)置成一個(gè)雙口ram，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)同步，提高了系統(tǒng)的刷新頻率。

整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一塊具有192×128個(gè)紅色led點(diǎn)陣的電子大屏幕。整塊大屏幕是模塊化的結(jié)構(gòu)，每4個(gè)16×16的點(diǎn)陣塊為一個(gè)最小模塊，每行點(diǎn)陣由3個(gè)同樣的最小模塊級(jí)聯(lián)而成，共8行。大屏幕上要求連續(xù)顯示5屏內(nèi)容，且每屏都具有上下左右移動(dòng)等動(dòng)畫(huà)效果。實(shí)際應(yīng)用中主控制室距離電子屏約為200米。結(jié)合設(shè)計(jì)對(duì)象的要求和大屏幕設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文提出了一種新穎的設(shè)計(jì)方案。該方案的整體框圖如圖1所示。

led大屏幕系統(tǒng)由3個(gè)主要單元組成：上位機(jī)圖像/文字編輯與發(fā)送部分單元、主控板單元、顯示驅(qū)動(dòng)電路單元。系統(tǒng)上位機(jī)由一臺(tái)pc機(jī)來(lái)控制，它主要編輯、發(fā)送圖像/文字信息到主控板的存儲(chǔ)器中；主控板對(duì)這些字模數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送到大屏幕，并在大屏幕上顯示出來(lái)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

上位機(jī)發(fā)出的信息經(jīng)符合rs－422標(biāo)準(zhǔn)的接口通過(guò)雙絞線傳送到主控板上，通訊速率可在上位機(jī)軟件中設(shè)置。接口所用芯片為mc3487和mc3486，rs－422在傳輸率為100kb/s時(shí)，可傳輸?shù)淖畲缶嚯x為1200米，本系統(tǒng)的傳輸距離約為200米，傳輸速率最大為115kb/s，采用rs－422方式傳輸可滿足這一長(zhǎng)距離通訊的要求。

主控板單元設(shè)計(jì)

該單元的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于數(shù)據(jù)流接收、存儲(chǔ)以及驅(qū)動(dòng)掃描的單片集成，無(wú)須任何外圍電路。主控板由一片spce061a和ep1c6組成，如圖2所示。

該單元的設(shè)計(jì)思路是，由單片機(jī)的iob7口以u(píng)art中斷的方式接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，這是由于大屏幕處于被動(dòng)、循環(huán)往復(fù)的顯示狀態(tài)，采用異步傳輸能減少系統(tǒng)不斷查詢串口接收標(biāo)志位的系統(tǒng)消耗。單片機(jī)將接收的串口數(shù)據(jù)以兩個(gè)字節(jié)為單位逐一寫(xiě)入內(nèi)置的閃存中。單片機(jī)內(nèi)部的2kb sram作為緩存區(qū)，每當(dāng)單片機(jī)要向fpga中寫(xiě)一屏新的數(shù)據(jù)時(shí)，先按特定的地址從閃存中讀出數(shù)據(jù)并存放到sram中，再將sram中的數(shù)據(jù)并行寫(xiě)到fgga的雙口ram中，單片機(jī)與fpga的接口信號(hào)除了16根數(shù)據(jù)線外，還包括單片機(jī)向fpga寫(xiě)數(shù)據(jù)的地址、寫(xiě)使能和寫(xiě)時(shí)鐘。由于每屏點(diǎn)陣數(shù)為192×128，16位數(shù)據(jù)并行傳輸所需的地址線為11根。但由于設(shè)計(jì)需要，系統(tǒng)中還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了1根額外的地址線，用于對(duì)fpga的雙口ram進(jìn)行讀寫(xiě)分區(qū)，因此共使用了12根地址線。

fpga在其內(nèi)部配置一個(gè)雙口ram緩存單片機(jī)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)按照大屏幕的結(jié)構(gòu)和掃描電路的特點(diǎn)選擇性地讀出，然后對(duì)數(shù)據(jù)由并轉(zhuǎn)串輸出到大屏幕的掃描驅(qū)動(dòng)電路。由于大屏幕采用模塊化的隔行掃描方式，每行需要2根數(shù)據(jù)線進(jìn)行隔行傳輸，整塊大屏幕共需16根數(shù)據(jù)線。由于點(diǎn)陣的行列驅(qū)動(dòng)均采用74ls595驅(qū)動(dòng)，故fpga還應(yīng)產(chǎn)生列掃描的點(diǎn)時(shí)鐘、鎖存信號(hào)和行掃描的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存信號(hào)。

雙口ram的配置

由于數(shù)據(jù)顯示是一種動(dòng)態(tài)掃描方式，如果采用一個(gè)ram區(qū)，當(dāng)單片機(jī)寫(xiě)ram時(shí)，fpga只能處于等待狀態(tài)，這樣就會(huì)導(dǎo)致屏幕動(dòng)態(tài)掃描停止。由于屏幕數(shù)據(jù)是移位輸出的，當(dāng)掃描停止時(shí)，因?yàn)闀?huì)有某一行的高電平保持較長(zhǎng)的時(shí)間，該行就會(huì)一直保持較強(qiáng)的亮度，影響屏幕的顯示效果。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了2個(gè)同樣大小的ram區(qū)：a區(qū)和b區(qū)，讓單片機(jī)交替進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)單片機(jī)在寫(xiě)a區(qū)時(shí)，fpga就去讀b區(qū)的字模數(shù)據(jù)；當(dāng)單片機(jī)寫(xiě)b區(qū)時(shí)，fpga就去讀a區(qū)的字模數(shù)據(jù)。這樣就不會(huì)造成fpga的停止掃描，保證了各行的點(diǎn)陣有相同的時(shí)間占空比，使屏幕點(diǎn)陣有同樣的亮度。單片機(jī)中的highadr引腳可用于控制單片機(jī)的寫(xiě)區(qū)和fpga的讀區(qū)。

由于每屏點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的大小為1536字，a區(qū)和b區(qū)的容量都至少要大于1536，那么整個(gè)的ram區(qū)至少為1536×2字，考慮到ep1c6內(nèi)部集成了20塊容量為256字的m4k模塊，正好可以滿足本系統(tǒng)對(duì)ram的需求。雙口ram的配置如圖3所示。

其中wren是單片機(jī)往fpga中寫(xiě)入數(shù)據(jù)的寫(xiě)使能信號(hào)，wraddress[11..0]是寫(xiě)地址信號(hào)，wrclock是寫(xiě)時(shí)鐘，data[15..0]是寫(xiě)數(shù)據(jù)，rdaddress[11..0]是讀地址信號(hào)，rdclock是讀數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，q[15..0]是讀出的數(shù)據(jù)。對(duì)于這個(gè)雙口ram而言，只有q[15..0]是輸出端口，其他均為輸入端口。與寫(xiě)數(shù)據(jù)相關(guān)的信號(hào)全部由單片機(jī)產(chǎn)生，讀數(shù)據(jù)的所有信號(hào)由fpga產(chǎn)生。其中讀寫(xiě)地址的最高位可實(shí)現(xiàn)ram分區(qū)。

點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)中l(wèi)ed的灰度等級(jí)是采用調(diào)制占空比的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于大屏幕是單色點(diǎn)陣，主要用來(lái)顯示文字信息，所以要求亮度高且均衡。根據(jù)這一特點(diǎn)，采用了模塊化的隔8行掃描方式。每隔8行點(diǎn)陣同時(shí)進(jìn)行掃描，則每行的占空比是1/8，使屏幕亮度得到保證。

點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)電路分為行驅(qū)動(dòng)和列驅(qū)動(dòng)，列驅(qū)動(dòng)采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，易于模塊化。列驅(qū)動(dòng)電路由74ls595組成，行驅(qū)動(dòng)電路由74ls595和與之配套的反相器7406、pnp達(dá)林頓功率三極管tip127組成。所有作為行驅(qū)動(dòng)74ls595的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)、掃描數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存信號(hào)都在一起，所有作為列驅(qū)動(dòng)74ls595的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)、掃描數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存信號(hào)也是在一起的，這樣可以實(shí)現(xiàn)大屏幕的同步顯示。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由3部分組成：上位機(jī)圖像/文字編輯與發(fā)送軟件設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制單元軟件設(shè)計(jì)，以及fpga控制單元軟件設(shè)計(jì)。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的圖像/文字編輯與發(fā)送軟件由visual basic編寫(xiě)，只須在界面中將屏幕大小設(shè)置為192×128，串口選擇com1或com2，波特率設(shè)置為9600，并設(shè)置每屏的起始地址和要發(fā)送的屏數(shù)，調(diào)入包含相關(guān)信息的文件，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕即可，數(shù)據(jù)流經(jīng)符合rs－422標(biāo)準(zhǔn)的雙絞線傳輸?shù)街骺匕?。該軟件適用于任何大小的彩色/單色屏，提供了豐富的圖形/文字編輯、修改功能。也可以直接調(diào)用windows中的16色畫(huà)圖文件（*.bmp），從而可以利用windows或基于windows的各種作圖工具設(shè)計(jì)出豐富多彩的圖像。

單片機(jī)控制單元軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制單元的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)3大功能：串行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)輸出和圖像顯示方式變換。設(shè)計(jì)流程如圖4所示。串行數(shù)據(jù)接收部分主要是通過(guò)uart中斷接收并保存位圖文件。圖像顯示方式變換部分實(shí)現(xiàn)圖像的變換，如上移、下移、左移、右移等，以實(shí)現(xiàn)豐富多彩的圖像顯示效果。

fpga控制單元軟件設(shè)計(jì)

fpga控制單元是在quartusⅱ環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，主要功能是配置雙口ram、傳送數(shù)據(jù)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的顯示。串行數(shù)據(jù)顯示是軟件設(shè)計(jì)的核心，該單元的軟件設(shè)計(jì)模塊如圖5所示。

雙端口ram的配置完全由軟件實(shí)現(xiàn)，fpga讀雙口ram的a區(qū)還是b區(qū)是由單片機(jī)的highadr引腳控制的。fpga按照顯示驅(qū)動(dòng)的要求讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，還要將這些數(shù)據(jù)由串轉(zhuǎn)并送至列驅(qū)動(dòng)的74ls595上。掃描控制信號(hào)則在數(shù)據(jù)送到顯示驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生，用于實(shí)現(xiàn)行、列驅(qū)動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于cyclone ep1c6和spce061a的led大屏幕方案已應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。其基于fpga的雙口ram和掃描控制設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)能以多種播放方式顯示各種字體和型號(hào)的文字和圖形信息,與同類(lèi)設(shè)計(jì)相比,畫(huà)面清晰，性能穩(wěn)定、操作使用簡(jiǎn)單，具有很好的應(yīng)用前景。