LED顯示屏作為一種新的顯示器件，近年來得到了廣泛的應用。隨著技術的不斷更新，LED顯示屏正朝著全彩化的方向發展。設計了一種LED顯示屏控制系統，該系統以ARMCortex-M3內核芯片STM32F103ZET6作為控制中心，以可編程邏輯器件EP1C6完成數據的刷新，通過以太網通信。系統可支持256級灰度全彩LED顯示屏的圖像、動畫的顯示，同時能夠方便地進行遠程控制。
LED顯示屏是利用LED點陣模塊或像素單元組成的一種現代平面顯示屏幕，具有發光效率高、使用壽命長、視角范圍大、色彩豐富以及對室內外環境適應能力強等優點。20世紀80年代后期，它在全世界迅速發展起來，并很快成為大屏幕平板顯示的代表性主流產品；近年來，隨著藍色LED產品價格的快速下降，全彩色LED顯示屏的價格逐步降低，市場需求急劇增長，應用日益普遍。目前的LED顯示屏控制系統多采用ARM處理器來完成整個系統的功能，這種控制系統在數據處理速度上存在很大的局限，影響顯示效果的連續性。基于此，在分析了STM32微處理器總線結構特點的基礎上，提出了STM32+FPGA的控制系統方案，該方案充分了利用STM32微處理器的靈活的儲器控制技術和可編程邏輯器件的靈活性，提高了系統數據處理的速度，而且簡化了電路結構，方便調試。
1 、系統總體方案設計
系統結構框圖如圖1所示。
圖1 系統結構框圖
系統采用新一代的32bitRISC處理器STM32作為主控芯片，通過以太網傳輸數據，以FLASH作為存儲模塊，由FPGA完成對LED顯示屏的高速掃描刷新。系統工作時，利用上位機編輯顯示信息，通過以太網接口將顯示信息傳輸給微處理器，微處理器接收數據信息后寫入FLASH存儲器。在顯示時，微處理器讀取FLASH中的數據，通過總線將數據以并行方式發送給FPGA,FPGA處理后將數據傳輸到LED顯示屏顯示。
2 、系統硬件設計
本系統選用ST公司新推出的32位微處理器STM32F103ZET6作為主控芯片，STM32F103ZET6使用了先進架構的ARMCortex-M3內核，其靈活的靜態存儲器控制器使得它能很方便的和許多存儲器和外設連接，同時STM32片上外設豐富，可以簡化系統外圍電路的設計。
2.1 FLASH存儲器電路設計
FLASH采用的是三星公司的K9F1G16U0M,它是一種NAND型FLASH,存儲容量為64M16位，工作電壓3.3V,系統中STM32F103ZET6與K9F1G16U0M的連接如圖2所示。FLASH存儲器的IO0~IO7和FMSC數據總線的低8位相連，STM32處理器通過FSMC訪問存儲器；FLASH存儲器的片選信號nCE和FSMC的FSMC_NCE2相連接，這樣存儲器的地址空間為0x70000000~077FFFFFFFF;FLASH存儲器的R/nB連接至STM32處理器的FSMC_NWAIT管腳，處理器將R/nB作為一個中斷源使用，因此可以在存儲器的等待周期內執行其他的任務。
圖2 NANDFLASH與STM32F103ZET6連接圖
2.2 以太網接口電路設計
采用以太網接口代替傳統的串口，加快了數據傳輸的速度，同時可以實現遠程控制。由于STM32F103ZET6片內沒有集成以太網MAC和PHY功能，但其FSMC支持擴展以太網控制芯片，本系統在FSMC上擴展一片DAVICOM公司的DM9000A芯片對STM32F103ZET6進行以太網擴展，DM9000A與STM32F103ZET6的連接如圖3所示。
圖3 DM9000A與STM32F103ZET6連接圖
STM32F103ZET6通過FSMC訪問DM9000A,對于STM32F103ZET6來說，DM9000A就是一個靜態存儲器外設。DM9000A采用16位模式，數據線SD0~SD15直接與FMSC數據線低16位FSMC_D0~FSMC_D15相連；DM9000A片選信號線nCS連接至FSMC片選信號FSMC_NE4,這樣DM9000A端口地址為0x6c000000;DM9000A的中斷信號線INT可直接連接至STM32F103ZET6的IO口，在程序中激活處理器IO口的中斷復用功能，STM32以中斷方式接收網卡數據。
2.3 掃描驅動電路設計
掃描驅動電路是整個控制系統的重要組成部分，系統中它由一塊FPGA和雙體RAM組成，其結構如圖4所示，主要完成灰度數據讀取、上屏數據的產生與傳輸、移位和鎖存時鐘的產生、行選信號的產生、灰度控制信號的產生等功能。
圖4 掃描驅動電路結構圖
掃描驅動輸出信號的仿真波形如圖5所示，其中en是灰度控制信號，用來控制顯示時間，產生灰度效果；row_sel是行選信號，顯示時用于確定點亮哪一行；sck是移位時鐘，lck是鎖存時鐘，ds_red、ds_blue、ds_green是上屏紅、藍、綠數據的輸入端。仿真時紅、藍、綠顯示數據分別設定為01交錯、全1、全0。可以看到，在移位時鐘的作用下數據移位正確，移位完成后，lck變為高電平，將數據鎖存輸出到LED屏上顯示。
圖5 輸出信號的仿真波形
3 、系統軟件設計
整個系統的軟件包括3個部分：上位機應用軟件、微處理器控制軟件和FPGA控制軟件。3個部分協同工作，實現對LED顯示屏的控制。
3.1 上位機應用軟件
上位機應用軟件用于人機交互，是控制系統對用戶的接口，要求界面友好、操作簡單。軟件采用VisualC++編寫，完成的主要功能包括：圖像文字信息的編輯、圖像的解碼以及根據通信協議將數據發送給下位機。
3.2 微處理器控制軟件
微處理器在整個系統中起著核心調度的作用，它控制著系統各功能模塊的工作狀態，程序包括TCP/IP協議棧的移植、DM9000A網卡驅動程序等，完成的主要功能有：硬件初始化，上位機與下位機的以太網通信，顯示模式算法設計等。
3.3 FPGA控制軟件
FPGA控制軟件的設計是在QuartusII環境下完成的，采用硬件描述語言Verilog編寫。主要功能是根據微處理器的控制，對存儲器進行切換，實現乒乓操作；完成圖像數據的重構，把數據轉換為能直接用于LED掃描顯示的含有灰度信息的0和1組成的編碼系列，并根據顯示屏驅動芯片的時序，將編碼系列傳輸到顯示屏上顯示。
4 、總結
本設計采用32位嵌入式微處理器STM32F103ZET6和可編程邏輯器件EP1C6Q240C8設計了全彩色LED顯示屏控制系統，并在實驗室驗證，實現了LED顯示屏的彩色顯示，圖6（a）為一幅實際圖像，圖6（b）是在顯示屏上的顯示效果。
圖6 圖像的灰度顯示
實驗結果表明，系統運行穩定，顯示畫面清晰、流暢。系統該系統能滿足異步全彩色LED顯示屏高處理速度，大容量數據存儲的要求，支持256灰度級全彩圖像、動畫的顯示，同時通過改變FPGA內部的硬件邏輯可方便地對系統進行升級，結構簡單、可靠性高，可替代市場上同類設計產品，應用前景廣泛。