基于fpga的led显示接口电路设计(编辑修改稿)

基于fpga的led显示接口电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

显示屏在我国发展速度非常迅速，从初期的几家企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是 1993 年证券股票业的发 展更引发了 LED 显示屏市场的大幅增长。 LED 显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成 ， LED 显示屏产业成为新兴的高科技产业。 （ c） 1995 年以来， LED 显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。 LED 显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED 显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。 LED 显示屏的国内发展现状 （ 1）产业发展初具规模 我国的 LED 显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。 据不完全统计，至 1998 年底，年度销售总额在 1000 万元以上的企业有 20 多家，其销售总额达 6 亿元左右，占行业市场总额的 85%以上。 全国从事 LED 显示屏的各类企业有 100 余家，从业人员近 6000 人，行业年度销售总额近 8 亿元人民币， 1996年、 1997 年的增长速度均保持 40%左右， 1998 年略有回落。 在国内市场上，国产 LED显示屏的市场占有率近 100%，国外同类产品基本没有市场。 LED 显示屏是发光二极管的主要应用之一，近年来发展迅速。 目前 LED 显示屏制作技术先进，售价低，国外公司很难在大陆占领竞争市场。 中国的发展在世界 LED产业中紧挨美国、日本，位居世界第三。 五年来，每年平均增长达 20%以上。 一家正在投产的公司利用 MOVPE 技术，生产 InGaAlP 超亮度的发光材料和芯片；台湾有七家生产 LED 芯片的公司，生产各色传统芯片占世界产量的七成以上，主要厂商有光磊、鼎元、光宝、国联等，欧美、日本等著名光电公司也使用台湾芯片，台湾封装工厂有30 余家，有 10 个是大公司，主要有光宝、亿光、今台等 ， 这些厂商大多在大陆设厂 ，以扩大产量 ， 降低成本 ， 增加市场竞争能力。 因 此我国 LED 产业的整体实力雄厚，有望成为电子基础产品重要支柱产业。 （ 2）技术水平相对领先 我国 LED 显示屏产业在规模发展的同时 ， 产品技术推陈出新 ， 一直保持比较先进的水平。 90 年代初即具备了成熟的 16 级灰度 256 色视频控制技术及无线遥控等国际先进技术，近年在全彩色 LED 显示屏、 256 级灰度视频控制技术、多级群控技术等方基于 FPGA 的 LED 显示接口电路的设计 9 面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现 ； LED 显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。 LED 显示屏产业培养形成了一批 LED 显示屏科技队伍，在全国 LED 显示屏行业的从 业人数 6000 人中，科技人员有 2800 多人，将近 50%。 LED 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 （ 3）行业发展正在逐步规范 1995 年以前 ， LED 显示屏的生产无行业规范。 1996 年原电子部委托蓝通公司制定《 LED 显示屏通用规范》， 1998 年 1 月正式作为电子行业标准发布实施，使 LED 显示屏产业标准化工作开始走向规范。 1998 年初，中国光协光电器件分会加强了 LED显示屏行业的管理，在引导规范行业发展、开展光电器件与 LED 显示屏产品技术及检测标准交 流协调等方面积极开展工作 ， 目前正在就标准体系和具体标准的建立组织力量进行有关工作。 随着产品标准体系的形成和系列标准的实施 ， LED 显示屏产业在向健康有序的方向发展。 （ 4）应用领域广泛 主要应用的领域有：证券交易、金融信息显示，机场航班动态信息显示，港口、车站旅客引导信息显示，体育场馆信息显示，道路交通信息显示，调度指挥中心信息显示，邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示，广告媒体新产品等等。 LED 显示屏的发展趋势 现代信息社会中，视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展。 二十一 世纪将是平板显示的时代， LED 显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有望成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。 （ 1）高亮度、全彩化 蓝色及纯绿色 LED 产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟性行业化条件。 全彩色 LED 显示屏将是 LED 显示屏的重要发展方向。 LED 产品性能的提高 ， 使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡达到比较理想的效果 ， 完全可以满足户外全天候的环境条件要求。 同事 ， 由于全彩色显示屏 性价比 的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED 显示屏在户外广告媒体中会越来越多的替代传统的灯箱 、霓虹灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色 LED 屏更会成为主流产品。 （ 2）标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后 ， LED 显示屏的标准化和规范化将成为 LED 显示屏发 展 的一个新趋势。 近几年内的发展，市场竞争力在传统产品条件下是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡 ， 产品质量 、 系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对 LED 显示屏的 标准化和 规范化有了 较高 要陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 10 求，业内一些骨干企业已开始在企业实施 ISO9000 系列标准。 （ 3） 产品结构多样化 信息化社会的形成 ， LED 显示屏 的应 用前景更为广阔。 预计大型或超大型 LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要 求， 小型 LED显示 将 会有较大提高。 面向信息服务领域的 LED 显示屏产品 的 门类和品种体系将更加丰富。 部分潜在的市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系列 LED 显示屏在 LED 显示屏市场总量中将会占有多数份额。 （ 4）高性能 、 嵌入式 现在市场上的多种 LED 显示屏在显示性能上良莠不齐，并且大多需要上位机对显示过程进行实时控制。 那 么利用嵌入式微机 [8]的体积小，性价比高等优点，将整个系统都做在 LED 文字屏系统的铁盒中，使 LED 文字屏系统的稳定性提高，使屏体的位置更加的灵活，这样就解决了传统 LED 文字屏系统的控制室在某些场合难以解决的难题。 所以在大屏的设计中将是一个明显的趋势。 LED 显示屏的结构及其示意图 图 21 LED 显示屏组成框图 如 图 21， LED 显示屏由三部分组成： LED 显示屏、控制模块、框架结构。 LED 显示屏： 指由发光二极管组成的显示点阵。 控制模块： 指驱动 LED 显示屏发光的控制电路、控制显示屏显示的控制软 件（包括控制器内及 PC 端通信及控制软件）和控制显示单元显示的外围通信及控制模块。 框架结构： 指支撑整个系统的基板或框架。 另外，整个显示屏需要加以装饰方能投入使用。 LED 显示屏的种类及特性 LED 显示屏的常见有分类一下几种方法 ： （ a）按显示颜色可分为： 基于 FPGA 的 LED 显示接口电路的设计 11 单基色（红色或绿色） 双基色（红色、绿色） 三基色（红色、绿色、蓝色） （ b）按显示性能可分为： 图文屏 同步屏 行情显示屏 (包括证券屏、利率汇率屏、工厂看板、安全牌等 ) （ c）按使用环境可分为 : 室内屏 室外屏 半户外屏 LED 显示屏的特性 ： LED 发光二极管 有 很多 优势 ， 除了可以解决广色域问题之外，相对于 CCFL 冷阴极背光灯而言， LED 发光二极管还拥有更多的优势。 首先一点就是环保。 在环保之外，LED 背光源还非常节电，其功耗要比 CCFL 冷阴极背光灯更低一些。 LED 内部驱动电压远低于 CCFL，功耗和安全性均好于 CCFL(CCFL 交流电压要求相对较高，启动时达到 1500～ 1600Vac，然后稳定至 700 或 800Vac， 而 LED 只需要在 12～ 24Vdc 或更低电压下就能工作 )。 另外，虽然 CCFL 的发光效率并不比 LED 逊色，但是由于 CCFL 是散射光，在发光 过程中浪费了大量的光，这样一来，反而显得 LED 光的效率更高。 此外， LED 背光源的使用寿命要比 CCFL 长。 一般来说，不同 CCFL 的额定使用寿命 (半亮 )在 8000～ 100000 小时之间，而 LED 背光源则可以达到 CCFL 的两倍左右。 当然， LED 背光源的使用寿命还受到散热管理方面的影响。 因此， LED 显示屏的优点有： 亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。 目前市场上流行的大型显示器件各式各样。 LED 显示屏具有其他显示屏所无法比拟的技术优越性： （ａ） 使用寿命长： 发光二极管的使用寿命在 10 万小时以上 （ｂ） 响应速度快：这是半导体器件共有的特点 （ｃ） 可视距离远： LED 的单点直径可达 52mm，可视距离 500 米以上 （ｄ） 规格品种多： LED 显示屏有室内的、户外的，有单色的、双色 、全彩色 （ｅ） 数字化程度高：全数字化 ， 可实现高分辨率图形方式 （ｆ） 亮度高：可用于户外，如交通灯、防雾灯等。 并且亮度可以 调节。 （ｇ） 可视角度大：室内显示屏可达 160 度 ， 户外的可达 120 度 （ｈ） 功耗低：每平方米最大功耗不超过 800W 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 12 3 LED 电路显示 原理 LED 点阵显示 结构 LED 点阵显示模块是 LED 显示屏的基本组成单元，下面对 LED 点阵显示模块进行具体的分析。 该设计 LED 点阵显示模块采用单色模块，其外形大小如下图所示： 图 31 LED 点阵显示模块 图中为一个单色的 88 点阵模块，而系统设计实际采用的是 1616 单色点阵显示模块。 LED 点阵显示模块的内部连线如 32 图所示： 图 32 LED 点阵显示模块内部连线图 如图所示，每一列的 8 个 LED 发光二极管的阳极接在一起，每一行的 8 个 LED发光二极管的阴极接在一起，这样就可以由行和列的选择线控制每一个 LED 发光管的发光。 图 33 88LED 点阵模块引脚图 图 33 为 88 LED 点阵模块的引脚图，左边是平放着，从前向后看；右边的是平基于 FPGA 的 LED 显示接口电路的设计 13 放着，从左向右看。 由于在实际的操作中，具体的 LED 点阵显示模块的引脚并不是有规则地排列，而是根据内部连线 ， 及相应的外部因素而排列，实际的显示模块的引脚排列参照具体的实物。 LED 点阵显示模块的显示原理 LED 点阵显示屏不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的 LED 管器件发光即可。 通常是先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的 格式形成显示数据。 对于只控制通断的图文显示屏来说，每个 LED 发光器件占据数据位中的一位 (1bit)，在需要该 LED 器件发光时数据中相应的位填 1，否则填 0。 当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。 这样依据所需显示的图形文字，按照显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。 我们以中文宋体字库为例。 每一个字由 16 行 16 列的点阵组成显示。 即国标汉字库中的每一个字均由 256 点阵来表示。 我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。 因而这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可 以显示在 256像素范围内的任何图形字符。 图 34 湖点阵图 图 35 16 16 点阵图 以显示汉字“湖”为例，来说明其扫描原理：在 UCDOS 中文宋体字库中。 每一个字由 16 行 16 列的点阵组成显示。 如果目前大多常用的 MCU 都采用 8 位数据存储与控制的多，我们在这里也采用 8 位字节为例。 一个字需要拆分为 2 个部分，一般我们把它拆分为左部和右部，左部由 8 6 点阵组成，右部也由 8 6 点阵组成，如 图 35所示。 在本例中首先显示的是左上角的第一行的左半部分，即第一行 第一列到第八列。 方向为 p00 到 p07，显示汉字“湖”时， p00 到 p07 点亮，由右往左排列，二进制为01000010B，转换为 16 进制为 42H。 左半部第一行完成后，继续扫描左半部的第二行 ，p10 到 p17 点亮 ， 为 00100010B，即 16 进制 22H。 左半部的第二行 ， 也为 00100010B，即 16 进制 22H。 继续往下面的扫描，扫描完 16 行，然后转向右半部，为了接线的方便。 我们仍设计成由右往左扫描。 如 图 35 所示。 从上图可以看到，这一行全灭，即陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 14 为 00000000B， 16 进制则为 00H。 再往下扫描第二。