摘 要：目前采用的title="LED">LED大屏幕顯示系統的控制電路，大多由單個或多個CPU及復雜的外圍電路組成，這種電路設計，單片機編程比較復雜，整個電路的調試比較麻煩，可靠性和實時性很難得到保證。針對這種情況，提出一種SD卡存儲顯示文件，由TMS320LF2407A和EPM240配合完成的大屏幕設計方案，使得動畫的變換和處理與屏幕的顯示控制完全分離，各模塊任務分明，功能完善，充分發揮了DSP以及CPLD各自的優點，實現高性能的無閃爍顯示。
關鍵詞：TMS320LF2407A；EPM240；LED大屏；高性能
1 總體設計
系統結構如圖1所示，核心處理器采用TMS320LF2407A，外部擴展了網絡接口芯片RTL8019AS、SD卡和雙口RAM芯片。本系統中，DSP主要發揮其邏輯運算處理能力；網絡通信接收文件功能、圖形文字變換功能以及文件的讀取保存功能都由TMS320LF2407A完成；而CPLD芯片EPM240的功能較單一，只負責從雙口RAM中獲得將要顯示的數據，批量讀取并送入由多個74LS595驅動的LED點陣陣列。換言之，EPM240負責實時動態刷新屏幕顯示，保證刷新速度而不產生閃爍感覺（即刷新頻率要達到100 Hz以上）。
本系統主要分為3個功能模塊：
(1)以太網數據傳送部分。PC機通過以太網將需顯示的數據（可能是屏幕截圖數據，也可能是文本文件等）以UDP數據報的形式發往本系統，RTL8019AS會自動將不是發往本地IP地址的數據包丟棄，主程序中查詢RTL8019AS接收到新的數據包并讀取入SD卡文件緩沖區，緩沖區填滿時以文件形式寫入SD卡FAT32文件系統中。
(2)DSP動畫變換算法實現部分。TMS320LF2407A具有32 KB的外部RAM空間，圖1中所示的雙口RAM被擴展至此空間。首先DSP將這32 KB空間劃分成2個區域（各16 KB），分別用作邏輯運算區和顯示內存區（都在雙口RAM中）。DSP讀取SD卡中將要顯示的文件數據并將其送入邏輯運算區，根據畫面所需的動畫要求做相應變換，變換后的點陣直接填充顯示內存區，以便CPLD從該區讀取顯示數據。
(3)CPLD顯示圖形的刷新。利用CPLD速度快的特點，將顯示內存區中的數據快速讀入并發送給74LS595驅動擴展的LED陣列，由于功能的單一性，使顯示具有很高的刷新速度，無閃爍等現象。
2 EPM240的主要任務
EPM240需從雙口RAM的顯示內存區中讀入數據，所以在硬件電路上必須將雙口RAM的一個端口與EPM240連接，在用VHDL語言描述電路時，采用狀態機實現EPM240對雙口RAM的控制與數據的讀取。由于雙口RAM的2個端口都可能同時對同一個單元操作，因此必須將雙口RAM的BUSY引腳分別接至DSP和EPM240上，一邊操作時，另一邊必須等待操作結束，否則可能會造成數據錯誤。DSP在操作顯示內存區時，采用逆序地址方向（地址從大到小），而EPM240采用正序地址方向操作，這樣做的好處是修改一幅圖像時，最大可能地避免發生同時操作同一單元的現象。
除了完成與雙口RAM接口的工作外，EPM240還必須將讀入的字節不斷地發送給74LS595刷新硬件顯示，只要采用VHDL語言描述出SPI總線接口協議即可。簡而言之，CPLD在本系統中起數據的搬運作用（顯示內存區—>EPM240—>LED顯示）。
3 DSP實現圖像的動畫變換
常見的動畫處理包括左右平移、上下平移、連續拉幕、扇入扇出等。基于上面提出的雙緩沖區的設計模式，使得動畫的實現變得清晰易行。動畫變化原理如圖2所示。
圖2中假設用戶采用的實際屏幕寬度為Width點，高度為Height點。算法的基本思想是假想有個和實際屏幕大小一致的視窗存在，并可根據需要按一定規律在邏輯運算區內移動。即落在視窗內的部分才能被實際屏幕顯示（被送入顯示內存區）。
例如，要實現圖像的左右平移操作，實現算法前，需將顯示文件的原始數據載入邏輯運算區，然后復位視窗的偏移坐標(OffX，OffY)為(0，0)，每隔用戶設定的時間間隔后，調整左右偏移量OffX累加SpeedDot（動畫速度，用戶設定），再將落入視窗內的數據部分映射到顯示內存區中，由EPM240負責刷新顯示。當OffX累加到達到Width時動畫結束，此時可以將下一幅圖像文件原始數據載入邏輯運算區進行類似的動畫操作。再例如實現圖像從右下角逐漸飛入屏幕，可將(OffX，OffY)初始設置成(-Width， -Height)，顯然此時無數據落入視窗，之后每隔時間間隔后，再進行如下映射操作即可：
OffX+=SpeedDot;
OffY+=SpeedDot*((float)Height/Width)；
4 網絡傳輸的實現
RTL8019AS和TMS320LF2407A間的連接如圖3所示。采用以太網進行數據傳輸可以提高通信質量，具有通信速度快、傳輸數據量大等特點，而且接入簡單，只需將RJ45連接頭接入集線器即實現了網絡的物理連接。
以太網主要有2種通信協議：TCP與UDP協議。TCP協議提供的是可靠的傳輸服務，可以確保數據不丟失，但它的實現較為復雜，任務也比較繁重，系統RAM的消耗也較大；UDP協議提供的是不可靠傳輸服務，最大可能地將數據傳輸到目的地。可靠的數據傳輸只能由高層（一般是應用層）負責校驗和發起，傳輸快、運算量小、算法簡單易行。
對于本系統而言，大屏幕點陣的變換與文件系統的操作等任務已較為繁重，而且一般只是在設置顯示圖像和動畫時才進行以太網傳輸，丟包的可能性并不大，所以采用UDP協議。發送時，只需將要傳輸的數據逐層地向低層發送，經過每層時都在前面加上本層的頭部（有的還加有尾部），在頭部中包含有相關的傳輸信息，最后通過物理層（RTL8019AS的驅動層）將最終封裝好的數據幀發送到網絡中。接收正好是發送的逆過程，只需將頭部逐層剝離（剝離時要校驗是否正確，否則丟棄），最后獲得被封裝的數據。DSP在收到正確的數據后，將其以文件形式保存到SD卡中。本模塊應用層流程圖如4所示。
5 大屏陣列的構成
顯示面板由32×16點陣構成最小單位，JP1是輸入信號，當有多個單位級連成大屏時，只需將前個單位的JP2口與后一單位的JP1口連接即可。第一塊單位板的JP1口連接到控制板，由CPLD掃描顯示。采用1/16掃描方式，行信號由74HC154譯碼后輸出，并經過APM4953（內部是2個P溝道的MOS管）增強驅動能力；列信號由74HC595級連構成，提供列線的灌入電流。由于級連時消耗電流較大，因此為每塊單位板設置電源模塊等，限于篇幅，這些圖并未給出。控制時，CPLD先通過列數據端口串行地發送當前行的數據，然后選中當前行進行顯示，暫留時間后對下一行進行同樣操作。本電路接口十分簡單，擴展大屏也十分方便。
本方案采用以太網通信，大大提高了數據傳輸速度和傳輸的可靠性；充分利用DSP的運算優勢，進行動畫的實時變換處理，將變換與顯示控制完全分離；CPLD的運用可以大大提高硬件的控制速度，快速刷新屏幕，穩定可靠，掃描頻率高。
參考文獻
[1] 潘松，黃繼業. EDA技術實用教程[M]. 北京：科學出版社，2002.
[2] 李愛國. 模塊化LED電子大屏幕的設計與實現[J]. 計算機應用研究，1998(2):74-75.
[3] 劉和平. DSP原理及電機控制應用——基于TMS320LF240X 系列[M]. 北京：北京航空航天出版社，2008.
[4] 夏宇聞. Verilog數字系統設計教程[M]. 北京：北京航空航天出版社，2008.