旋轉LED屏的基本原理以及關鍵性技術介紹
旋轉LED屏作為一種新型的LED顯示屏以其成本低，可視范圍大等獨特優(yōu)點，也越來越受到人們的重視。本文根據旋轉LED屏的工作原理以及設計要求，將基于Nios軟核的SOPC技術引入到設計中來，實現(xiàn)了基于SOPC的彩色旋轉LED屏的設計。該設計把微處理器和用戶邏輯接口都集成在一塊FPGA芯片上，其接口可以靈活地被編程人員定義，用戶能根據顯示屏的大小靈活調整硬件邏輯設計以實現(xiàn)對屏的控制，而不需要改變其原有硬件構成，因此具有很大的靈活性，是旋轉LED屏控制電路設計的一個新方向。
目前市場上的LED屏基本上均為平板LED屏，這種屏具有顯示穩(wěn)定，顯示內容易修改的優(yōu)點。但是平板顯示屏的原理決定了顯示屏上的每一像素點均與單獨的LED一一對應，這必然造成平板顯示系統(tǒng)造價過高顯示控制系統(tǒng)龐大的等缺點，而且由于幾何機構的限制，決定了平板顯示屏的視場較小。而新型的旋轉柱式LED屏可以克服平板LED屏的上述不足-它以機械轉動掃描方式代替逐行掃描，使用的LED數量大大減少，這使成本大大減低，而且可是屏幕范圍達到了360°。
一、旋轉屏基本原理及關鍵技術
LED（1ight emitting diode）顯示屏由發(fā)光二極管陣列構成。發(fā)光二極管（LED）是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應速度快、驅動簡單、壽命長等優(yōu)點，能勝任各種場合實時性、多樣性、動態(tài)性的信息發(fā)布任務，因此得到了廣泛的應用。LED大屏幕是通過一定的控制方式，用于顯示文字、圖像行情等各種信息以及電視、錄像信號，并由LED器件陣列組成的顯示屏幕。LED大屏幕作為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體，正受到社會各界尤其是商業(yè)界、廣告界的極大重視，被廣泛應用于上業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、電子景觀等。
SOPC是嵌入式設計的一個新的方向，利用SOPC技術可以將多個功能模塊集成到一塊可編程芯片上構成可編程芯片上。將SOPC技術和旋轉LED控制有機結合起來可以實現(xiàn)結構緊湊，功能穩(wěn)定的旋轉LED控制系統(tǒng)，同時也有利于控制系統(tǒng)的功能升級和維護。
要使設計的旋轉LED屏具有較好的顯示效果，需要在設計解決好這三個問題。對于旋轉LED屏的供電來說，采用固定在底座的電刷片和旋轉的金屬導軌或者金屬輪軸接觸的方式給系統(tǒng)供電，是比較簡單而可靠的方法。本文的設計就是通過電刷提供一個恒定的12V直流電壓，再由DC-DC芯片轉換成2.5V、3.3V、5V等電壓來維持控制系統(tǒng)工作。解決旋轉屏的橫向拖影，主要是根據旋轉掃描的特點，在兩列像素點之間插入一個全黑時隙，這樣就可消除兩列圖像顯示點的粘滯感。而對于解決亮度顯示不足的問題，本文的設計在不繼續(xù)加大LED燈亮度的情況下，采用的是用四列LED燈來輪流顯示每個旋轉屏上的每個象素點，這樣亮度在旋轉速率不變的情況下就變?yōu)樵瓉淼乃谋丁?
二、總體方案系統(tǒng)設計
本文的設計是以FPGA為核心，利用霍爾傳感器，紅外遙控以及三基色LED顯示陣列搭建的柱式旋轉LED屏系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由電機，控制電路，LED顯示陣列三部分組成。 電機的作用就是帶動電路部分進行旋轉，這個部分的關鍵就在于電機的轉速要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會被局部伸展或者壓縮。為了使LED轉速保持穩(wěn)定，一般在設計時，都是使用勻速的直流電機，或者是步進電機。LED整列是旋轉屏的顯示主體，為了實現(xiàn)較好的顯示效果，本文的設計采用了三基色的LED燈，通過電路的控制LED的顏色灰度等級，LED電子屏可以顯示出復雜多變的色彩，雖然這樣在控制電路的設計上更為復雜，但是具有更好的顯示效果。
本設計硬件平臺采用Altera公司的CycloneⅡ系列中EP2C20Q204C8作為FPGA為平臺，通過使用Quartus II軟件搭建的采用Nios軟核處理、DMA、SDRAM控制器等外圍模塊以及自定義的LED驅動控制模塊等搭建了旋轉LED屏的控制系統(tǒng)。在設計中，雙口RAM子模塊可以使系統(tǒng)可以在輸出顯示圖像的同時，可以同步更新顯示內容數據。旋轉LED屏有四個顯示LED列陣，整個顯示柱面分為四個區(qū)，每個區(qū)占1/4個柱面。為了實現(xiàn)四個區(qū)的同步掃描，需要有四個獨立的雙口RAM,其位寬為24bit,剛好可以存儲一個像素數據，使R、G、B各占8bit,以滿足256顯示的需要。雙口RAM使用QuartusII 軟件內嵌的MegaCore生成，每個RAM的大小為768x24bit.
串行移位輸出子模塊和輸出同步控制子模塊是用于將并行的圖像數據從RAM中取出，并在霍爾感應器輸入的位置信號的同步控制下把數據串行化輸出的。圖像灰度控制的方法是采用前文提到的占空比控制法來實現(xiàn)的，灰度控制子模塊主要由計數器和比較器組成，計數器在灰度時鐘GRY_CLK上升沿計數，當計數值>=0并小于比較器的值時，灰度控制輸出信號GRY為高，否者為低，該信號送往驅動芯片74HC595的使能端EN用于控制LED燈的點亮時間，可控制色彩灰度和在兩列圖像顯示列中增加黑的時隙。整個旋轉LED電子屏的控制電路的控制核心是Nios處理器，圖像數據的讀取，旋轉位置的感應，以及LED的顯示驅動都是由Nios處理器來實現(xiàn)控制調度的。對于Nios軟核處理器來說，其軟件開發(fā)是在SOPC Builder下的Nios IDE集成開發(fā)環(huán)境下完成的。