基于SOPC的旋转LED屏控制系统设计

　　摘 要：提出了一种基于FPGA和SOPC技术实现旋转LED屏控制系统设计的新方法。该设计以Altera公司的EP2C20为核心，通过在单片FPGA中集成NIOS软核处理器，SDRAM控制器和EPCS控制器等外围控制器件，配合红外接收模块，LED控制模块等自定义的Avalon接口模块实现旋转位置感应，红外无线控制，彩色LED控制等功能。这种设计方案的主要优势在与集成化和可扩展性，只需要对该方案进行少量修改，便可以实现具有更多功能的控制系统，以适应不同的旋转LED屏设计的需要。

　　一、引言

　　LED（1ight emitTIng diode）显示屏由发光二极管阵列构成。发光二极管（LED）是一种电流控制器件，具有亮度高、体积小、单色性好、响应速度快、驱动简单、寿命长等优点，能胜任各种场合实时性、多样性、动态性的信息发布任务，因此得到了广泛的应用。LED大屏幕是通过一定的控制方式，用于显示文字、图像行情等各种信息以及电视、录像信号，并由LED器件阵列组成的显示屏幕。LED大屏幕作为现代信息发布的重要媒体，正受到社会各界尤其是商业界、广告界的极大重视，被广泛应用于上业、交通、商业、广告、金融、体育比赛、电子景观等。

　　目前市场上的LED屏基本上均为平板LED屏，这种屏具有显示稳定，显示内容易修改的优点。但是平板显示屏的原理决定了显示屏上的每一像素点均与单独的LED一一对应，这必然造成平板显示系统造价过高显示控制系统庞大的等缺点，而且由于几何机构的限制，决定了平板显示屏的视场较小。而新型的旋转柱式LED屏可以克服平板LED屏的上述不足-它以机械转动扫描方式代替逐行扫描，使用的LED数量大大减少，这使成本大大减低，而且可是屏幕范围达到了360°。

　　SOPC是嵌入式设计的一个新的方向，利用SOPC技术可以将多个功能模块集成到一块可编程芯片上构成可编程芯片上。将SOPC技术和旋转LED控制有机结合起来可以实现结构紧凑，功能稳定的旋转LED控制系统，同时也有利于控制系统的功能升级和维护。

　　二、旋转LED屏基本原理及关键技术

　　2.1 LED阵列旋转显示

　　旋转LED显示屏是一种通过同步控制发光二极管（LED）位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示屏，因其结构新颖，成本低廉，可视范围达360°而得到了迅速的发展，其核心技术在于精确控制LED位置与发光状态的同步。旋转LED屏的显示器件只有一列，并且这一列LED由转速恒定的LED带动进行旋转， 同时由控制电路对LED的点亮状态进行同步控制，使电机每转过一定角度，这一列LED的显示内容就改变一次，在旋转到任何一个位置都有唯一确定的显示内容，也就是说旋转LED屏是采用逐列显示的，并且采用了机械转动来替代替代扫描显示，下图中a，b，c，d是旋转LED屏在不同时刻的显示状态，d是人眼视觉看到的完整的画面“3”。

　　2.2 三基色LED的颜色灰度控制

　　本设计采用了三基色LED来实现彩色像素的显示，为了能实现丰富多彩的颜色显示，需要对LED的颜色灰度进行控制。这主要有两种即驱动电流控制法和驱动脉冲占空比控制法，但前一种方法实现难度较大成本较高，而后者原理简单，容易采用数字设计方法实现，因此本文的LED灰度控制采用了占空比控制法。

　　占空比控制法控制LED的亮度实际上是控制LED点亮的时间。周期性地改变LED在一个周期内的点亮时间的长短，从而实现LED的亮度变化。在工作状态下连续地改变LED在循环周期中的点亮时间就可以实现LED亮度灰度等级的连续变化。对于256色显示，只需要采用8bit色度数据来控制LED的灰度，列数据位与占空比关系如下图2所示：