基于FPGA的LED显示屏模组测试系统

2013-12-10重庆大学陶纯匡

电子世界 2013年6期

重庆大学田凤陶纯匡

1.引言

随着信息时代高新技术的飞速发展，人们对及时获取并显示各类信息的欲望日益强烈，对传播媒体的要求也越来越高[1]。而LED显示屏以亮度高、功耗小、视角广、故障率低、组合灵活、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富等优点，成为多个领域信息显示的重要媒体之一[3]。但是，由于目前LED显示屏种类繁多，国内、国际LED显示屏生产厂家很多，多数公司没有实行标准化生产，还是按着订单生产，导致不同厂家以及同一产品不同批次之间的差异较大[7]。给LED显示屏的安装、检测、维修带来一定的麻烦，所以，为了能实时掌握LED显示屏的相关特性，设计一种能自动识别LED显示屏模组特性的智能系统是必要的。本文介绍的是一个以Altera公司的EP2C8Q208C8为核心器件和一个转接板组成的LED显示屏模组测试系统，该系统支持几种常见的LED显示屏接口（08，12）。该系统通过产生横线、竖线、斜线、红色、绿色、蓝色等不同图案，来检测LED显示屏模组的扫描方式和走线方式，及LED是否有坏点，方便显示屏的安装和维修。

2.LED显示屏模组的原理

LED是发光二极管(Light Emitting diode)的英文缩写，早期的LED产品是单个的发光管，随着数字化设备的出现，LED数码管和字符管得到了广泛的应用，而LED点阵模块的出现，更是适应了信息化社会发展的需要，成为大众传媒的重要工具，应用领域广泛[4]。为了适应各种场合的需要，LED点阵模块的LED发光灯的个数、排列方式等各不相同。典型的LED点阵模块有4*4、8*8、16*16等多种结构形式，如图1所示为8*8的LED点阵模块结构图。

从图1看，该点阵模块需要64个LED发光灯，且每个发光灯都置于行列的交叉点处，按着行共阳极、列共阴极的结构排列，如果需要点亮某个LED发光灯，只需将它所在的行置为高电平，所在的列置为低电平即可。

LED显示屏模组的驱动方法主要有两种：扫描型和锁存型。扫描型是指LED显示屏上的16行，8行或4行等若干行LED共用一行驱动寄存器，一般分别称为1/16扫，1/8扫和1/4扫[1]。对应这几种扫描方式，有相应的走线方式与之呼应，为了方便描述，用统一的特征码表示：xx-Pyy-[aa-bb]，方括号表示可以重复多次，如图2为相应代码的解释。1/16扫描的模组可以简单的描述成16-P16，一路数据带16行。1/8扫描的模组有三种走线方式：8-P8、8-P16-8上蛇形和下蛇形。1/4扫描的模组有六种走线方式：4-P4、4-P8-8上蛇形和下蛇形、4-P16-8上蛇形和下蛇形、4-P16-8-8-16。如图3为1/8扫描方式8-P16-8上蛇形走线方式的图解。锁存型是指显示屏上的每一个LED灯都有一个独立的驱动寄存器[1]，与扫描型一样，锁存型也有对应的走线方式与之呼应，典型的有1-P16-16、1-P8-1-4-4和1-P8-4-4-16，如图4为静态扫描方式1-P8-1-4走线方式图解，图5为静态扫描方式1-P8-4-4-16走线方式图解。

3.硬件部分设计

本论文采用FPGA作为主控芯片，FPGA具有丰富的基本可编程逻辑单元、布局布线资源、I/O引脚、运行速度快等优点，能完成比较复杂的设计。为了能够测试常用的几种接口（08、12）的LED显示屏模组，本系统设计了一块转接板。如图6所示为LED显示屏模组测试系统的硬件框图。

图1 8*8LED点阵结构图

图2 特征码解释表

图3 8-P16-8上蛇形走线方式图解

图4 1-P8-4走线方式图解

本硬件系统包括两个部分：主控卡和转接卡。主控卡的核心器件FPGA选用Altera公司生产的EP2C8Q208C8，该器件寄存器资源丰富，可以实现大量数据的产生。通过使用Verilog HDL语言对其编程，产生LED显示屏驱动电路所需的各种时序信号。电源、晶振、按键等都属于该FPGA的外围电路，电源通过连接12V的外接电源，通过电源芯片转换成1.2V，3.3V和1.8V，以满足FPGA所需的各种电压需求。晶振采用50MHZ的频率，按键主要包括复位和电源开关按键，主控卡上的两排排针，用于与转接板对接。它们一起组成主控卡部分。转接卡主要包括74HC245、各种接口对应的插针、各种按键和LED指示灯等器件。74HC245主要作用是放大从主控卡接收到的各种驱动信号，并分配给相应接口（08、12）的引脚。各种接口对应的插针用于与LED显示屏引出的接口对接。按键用于显示方式、颜色、扫描方式和走线方式的切换。LED指示灯用于显示该转接板是否处于工作状态。

图5 1-P8-4-16走线方式图解

图6 LED显示屏模组测试系统硬件部分框图

图7 内部模块框图

图8 数据产生模块流程图

4.软件部分设计

本系统软件部分使用Verilog HDL语言完成软件编程，Verilog HDL语言简洁、高效、功能强，是目前世界上最流行的硬件描述语言之一，它能很好的描述数字系统的结构和行为。因此，本系统选用Verilog HDL作为FPGA的编程语言。如图7所示为FPGA内部的模块框图，以16*16LED显示屏模组为例。本系统主要包括4个模块：PLL模块、数据产生模块、颜色切换模块、双口RAM读写模块和LED显示屏驱动模块。

图9 颜色切换模块流程图

图10 LED显示屏驱动模块

PLL模块用于产生后面四个模块需要的时钟信号，数据产生模块是根据需要显示的图形信息、LED显示屏模组的扫描方式和走线方式，给出相应的数据，图形信息包括横线、竖线、斜线、全亮，如图8为数据产生模块流程图。该模块首先接收来自转接板上扫描方式、走线方式和显示方式切换按键的值，每按一次，相应计数器就加1，默认状态扫描方式是16扫，走线方式直行走线，显示方式是横线。系统刚上电时，该模块按着默认的状态产生相应的数据，并进行数据组织，以满足显示屏的走线方式，每产生一个数据，数据个数计数器加1，直到数据个数计数器的值大于256，停止计数，将计数器清零，继续产生竖线、斜线等数据，循环往复。

颜色切换模块负责接收数据产生模块的数据，并根据不同的颜色组合，给R、G、B三种LED发光灯分配相应的值，颜色组合包括单红、单绿、单蓝、红和绿双色、全白，如图9为颜色切换模块流程图。该模块接收来自转接板上颜色切换按键的值，每按键一次，颜色切换计数器就加1，默认的颜色是红色，根据颜色切换计数器的值确定R、G、B哪些赋值，哪些不赋值。每赋值一次，数据个数计数器就加1，直到计数器的值大于256，停止计数，将计数器的值清零，并将R、G、B的值置1。

双口RAM读写模块主要是负责存储显示屏的数据，以便满足显示屏的刷新率。最后，LED显示屏模组驱动模块从双口RAM读写模块读取数据，并将读取来的数据传输给LED显示屏的驱动电路，并由驱动电路驱动LED显示屏显示相应的图形、颜色信息，如图10为LED显示屏驱动模块流程图。该模块接收转接板上扫描方式切换按键的值，每按一次，扫描方式计数器就加1，默认是16扫，即每次锁存1行数据并显示，根据扫描方式，确定每次锁存的行数（1,2,4或者16）。在锁存数据的同时，分别给LED显示屏驱动电路的OE使能信号、CLK时钟信号、行选信号及译码器片选信号分配相应的数据值。