FPGA控制旋转LED显示系统
2021-07-29新疆工程学院王斌虎
新疆工程学院 王斌虎
旋转LED显示系统是近几年发展起来的新型电子产物，因其独特的显示方式和别具一格的显示效果以及低功耗、高效率的特点赢得了广阔的市场发展空间。本文是以Altera公司Cyclone II系列的FPGA（EP2C8Q208C8N）芯片为主控高速处理器，通过无刷直流电动机的高速旋转带动LED显示屏动作，通过主副线圈电磁耦合感应给旋转部分供电，采用红外收发管的检测配合主控器的处理实现旋转显示内容位置的稳定，用硬件描述语言语言（Veirilog HDL）实现控制代码的编写，借助视觉暂留效应来实现显示系统的设计，最后进行组合调试。
1 本文的目的及意义
随着LED器件性能不断提高，传统的LED字屏价格高昂、放置位置固定、不易挪动、互动性不强，显得十分不便。因此，具有设计简单、携带便利、变换内容信息容量大等优点的—旋转LED显示，具有十分重要的意义。
2 发展现状
LED显示屏作为新型的显示器件出现在各样LED项目中，国内LED企业承担了工程项目的主体部分，供应了大批的LED产品，这也表明了LED显示屏行业未来的趋势。伴着LED高性能材料的逐步开发，更新颖的LED显示屏也渐渐浮现，因此旋转LED显示屏也会得到普及，它的诞生必将服务于人类生活。
3 主要内容
本文主要针对硬件结构进行设计，一款以Altera公司Cyclone II系列FPGA为核心控制器的旋转LED显示系统。利用FPGA主控芯输出端口输出高低电平驱动LED灯的亮灭，通过Rf370电动机的高速旋转带动LED旋转臂转动，加上红外对管位置检测确定显示，最后利用人眼视觉暂留效应显示出预期的文字和图案。路给系统供电，对旋转部分实现无接触供电，系统框图如图1所示。
图1 系统框图
3.1 FPGA控制模块
Cyclone款产品是Altera公司系列产品中成本最低、性价比最高，内部大概结构如图2、图3所示，该器件有5种逻辑资源：逻辑阵列块（LAB）、可编程I/O控制模块、嵌入式阵列块（EAB）、锁相环（PLL）和可编程内部连线阵列。
图2 Cyclone ll系列FPGA基本结构图
图3 Cyclone II系列I/O端口简图
FPGA是一种功能可变的器件，下载的代码决定了它最终的作用，在上电运行时，那些特殊的代码数据保存在系统配置的SDRAM上，如图4所示。FPGA断开电源后会丢掉之前写入的逻辑信息，现实使用须为FPGA芯片配置一个专门的ROM。
图4 SDRAM连接电路图
3.2 电源电路的设计
多电源供电是FPGA系统的特点，以Cyclone II系列芯片构成的FPGA最小系统为例，NIOS II内核电压3.3V，外围输入/输出电压为1.2V，FPGA的外围电压分别为3.3V、1.2V，Altera公司没有为其设计专用的电源芯片，电源电路设计较为灵活。本文选择的AMS1117为其转换电压，这是一种正向低压降稳压器，它的漏失电压非常低，工作温度范围是-40°C～125°C；另外它的内部集成了特殊的保护电路，是电源设计的最佳选择，电源电路如图5所示。
图5 +3.3V、+1.2V电源电路
3.3 LED显示模块
LED显示模块是显示系统设计的主要界面部分，是显示内容的主要显示平台。该模块在主要包括LED特点、结构和原理的简单介绍，还有电路图及硬件连接方式的设计。
3.4 电机的选型
考虑到设计是旋转显示屏，需要电机有很高的转速，并且要满足简便、低成本和方便验证等要求，所以选择价格低廉的Rf370CA-15370型号直流电动机。该型号电机大概重51g，电压工作范围是3-12V，额定工作电压12V，无负载时的转速是5600r/min，电流是0.026A；在最大效率时的转速为4840r/min，电流0.17A，输出功率是1.25W；堵转时的电流是1.06A。综合考虑本设计的设计要求，该款电动机完全满足设计需要，设计所用电机实物图如图6所示。
图6 Rf370电动机实物图
3.5 电源模块及红外对管检测模块
检测触发有各种方式：机械检测、红外光电检测、磁电检测。但是机械触发缺点噪音大、精度低、易磨损；红外光电触发无噪声、精度较高且无机械损耗，故本设计采用红外光电检测方式。采用红外对管来检测显示开始的位置，接收到红外信号后，将译码成控制信号，整个系统状态切换，信息读取、存入、更新等。
电源模块为FPGA主控的旋转LED显示系统提供动力源，为各模块提供电源，尤其是电机驱动模块和旋转臂上LED显示部分。机械旋转臂部分的供电和电机驱动部分是没有直接接触的，所以系统供电电源分为两部分—静止供电部分和旋转（无线）供电部分：静止部分主要包含USB供电+5V接口、高频自激振荡电路，旋转部分主要包含接收线圈和整流稳压滤波电路。
小结：本文主要介绍了旋转LED显示系统整体硬件设计方案，对FPGA控制模块、LED显示模块、电机驱动模块、红外对管检测模块、电源模块等的功能和核心器件进行了详细说明，在硬件理论方面实现了对LED显示系统的设计。
