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摘要：LED 屏具有亮度高、响应速度快、功耗小、耐震动、耐冲击、寿命长等优点，近年来得到了广泛的应用。本文以ARMCortex-M4内核芯片STM32F407ZGT6作为控制中心，以可编程逻辑器件EP4C6完成数据的刷新，通过以太网、Ｕ盘导入图像、动画。系统可支持256级灰度全彩LED显示屏的图像、动画的显示，同时能够方便地进行远程控制。
关键词：ARM FPGA LED显示屏
引言
随着技术的不断更新，LED显示屏正朝着全彩化的方向发展。本文设计了一种LED显示屏控制系统，该系统以ARMCortex-M4内核芯片STM32F407ZGT6作为控制中心，以可编程逻辑器件EP4C6完成数据的刷新，通过以太网通信。系统可支持256级灰度全彩LED显示屏的图像、动画的显示，同时能够通地网络和Ｕ盘导入图像、动画。
近年来，随着蓝色LED产品价格的快速下降，全彩色LED显示屏的价格逐步降低，市场需求急剧增长，应用日益普遍。目前的LED显示屏控制系统多采用ARM处理器来完成整个系统的功能，这种控制系统刷新率低影响显示效果。基于此，在原来ARM系统的基础上提出了ＡRM+FPGA的控制系统方案，该方案充分了利用ARM的灵活的图像解码和可编程逻辑器件的高速运算，提高了系统数据处理的速度，而且简化了电路结构，方便调试。
1、系统总体方案设计
系统结构框图如图1所示。
系统采用新一代的32bitRISC处理器STM32F407ZGT6作为主控芯片，通过以太网传输数据，以ＳＤ卡作为存储模块，由FPGA完成对LED显示屏的高速扫描刷新。系统是利用上位机生成图像和动画文件，通过以太网接口或Ｕ盘将文件存入ＳＤ卡中，在显示时，微处理器读取ＳＤ卡中的数据解码并通过总线将数据以并行方式发送给FPGA,FPGA接收数据处理后将数据发送到LED屏显示。
2 、系统硬件设计
本系统选用ST公司新推出的32位微处理器STM32F407ZGT6作为主控芯片，该芯片集成 FPU 和 DSP 指令，并具有 192KB SRAM、 1024KB FLASH、 12 个 16 位定时器、 2 个 32 位定时器、 2 个 DMA 控制器（共 16个通道）、3个 SPI、2个全双工 I2S、3个 IIC、6个串口、2个 USB（支持 HOST /SLAVE）、2 个 CAN、 3 个 12 位 ADC、 2 个 12 位 DAC、 1 个 RTC（带日历功能）、 1 个 SDIO 接口、 1 个FSMC 接口、 1 个 10/100M 以太网 MAC 控制器、 1 个摄像头接口、 1 个硬件随机数生成器、 以及 112 个通用 IO 口等。
2.1 SD卡电路设计
STM32F4自带 SDIO 接口，SD卡不仅容量可以做到很大（32GB 以上）， 支持 SPI/SDIO 驱动，而且有多种体积的尺寸可供选择（标准的 SD 卡尺寸，以及 TF 卡尺寸等），能满足不同应用的要求。只需要少数几个 IO 口即可外扩一个高达 32GB 以上的外部存储器，容量从几十 M 到几十G 选择尺度很大，更换也很方便，编程也简单。
STM32F4 开发板自带了标准的 SD 卡接口，使用 STM32F4 自带的 SDIO接口驱动， 4 位模式，最高通信速度可达 48Mhz（分频器旁路时）， 最高每秒可传输数据 24M字节（图2）。
2.2 以太网接口电路设计
采用以太网接口代替传统的串口，加快了数据传输的速度。STM32F407 芯片自带以太网模块，该模块包括带专用 DMA 控制器的 MAC 802.3（介质访问控制）控制器，支持介质独立接口 (MII) 和简化介质独立接口 (RMII)，并自带了一个用于外部 PHY 通信的 SMI 接口， 通过一组配置寄存器，用户可以为 MAC 控制器和 DMA 控制器选择所需模式和功能。本系统采用 RMII 接口和外部 PHY 芯片连接，实现网络通信功能，系统使用的是 LAN8720A 作为 PHY 芯片。LAN8720A 是低功耗的 10/100M 以太网 PHY 层芯片， I/O 引脚电压符合 IEEE802.3-2005 标准，支持通过 RMII 接口与以太网 MAC 层通信，内置 10-BASE-T/100BASE-TX 全双工传输模块，支持 10Mbps 和 100Mbps。STM32F407ZGT6和LAN8720A的连接图如下：
2.3 扫描驱动电路设计
扫描驱动电路是整个控制系统的重要组成部分，系统中它由一块FPGA和双SDRAM组成，其结构如下图4所示，主要完成灰度数据读取、扫描数据的产生与传输、移位和锁存时钟的产生、行选信号的产生、灰度控制信号的产生等功能。
扫描驱动输出信号的OE是灰度控制信号，用来控制显示时间，产生灰度效果；A、Ｂ、Ｃ、Ｄ是行选信号，显示时用于确定点亮哪一行；CLK是移位时钟，ST是锁存时钟，ＲＳ_RED[0:8]、ＲＳ_GREEN[0:8]、ＲＳ_BLUE[0:8]是红、蓝、绿数据的输入端。在移位时钟CLK的作用下数据移位，移位完成后，ST变为高电平，将数据锁存输出到LED屏上显示。
2.5 SRAM电路设计
系统使用的是 TSOP44 封装的 IS62WV51216 芯片，该芯片直接接在STM32F4 的 FSMC 上，IS62WV51216 是 ISSI （Integrated Silicon Solution, Inc）公司生产的16 位宽 512K（512*16，即 1M 字节）容量的 CMOS 静态内存芯片。该芯片具有如下几个特点：
高速。具有 45ns/55ns 访问速度。
低功耗。
TTL 电平兼容。
全静态操作。不需要刷新和时钟电路。
三态输出。
字节控制功能。支持高/低字节控制。
STM32F407ZGT6和IS62WV51216 的连接如图6所示。
3 、系统程序设计
系统的程序包括以下几部分：上位机软件、ＡＲＭ嵌入式程序和FPGA控制程序。
3.1 上位机软件
上位机软件用于生成图像或动画文件，是控制系统对用户的接口，要求界面友好、操作简单。软件采用ＶＢ.net编写，完成的主要功能包括：节目编辑、屏参设置、视频取样以及根据通信协议将数据发送给Ｕ盘或ARM。软件界面如下图所示：
3.2 ＡＲＭ嵌入式程序
ＡＲＭ嵌入式程序是整个系统的关键，包括TCP/IP协议栈、FATFS文件系统的移植、LAN8720A网卡驱动程序、ＵＳＢ驱动程序、ＳＤ卡驱动程序等，完成的主要功能有：硬件初始化、与上位机的通信、读Ｕ盘文件、将Ｕ盘文件存储到ＳＤ卡和图像的解码等。
3.3 FPGA控制程序
FPGA控制程序的编写是在QuartusII环境下完成的，采用硬件描述语言Verilog编写。主要功能是接收微处理器的图像数据，通过对存储器的乒乓操作，完成图像数据的重组，把数据转换为能直接用于LED扫描显示的数据格式，并根据显示屏驱动芯片的时序和扫描方式将数据传输到显示屏上显示。
4、总结
本系统设计采用ARMCortex-M4内核芯片STM32F407ZGT6作视频解码和可编程逻辑器件EP4CE6作扫描驱动，系统性能稳定，显示画面清晰、流畅。该系统能满足异步全彩色LED显示屏高处理速度，大容量数据存储的要求，支持256灰度级全彩图像、动画的显示，应用前景广泛。
参考文献
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[8]叶心明 基于FPGA的LED视频显示控制系统的设计[学位论文]2009
论文作者:梁海峰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/9
标签：显示屏论文; 系统论文; 芯片论文; 控制系统论文; 接口论文; 以太网论文; 数据论文; 《基层建设》2017年第12期论文;