新疆工程學院 王斌虎

旋轉LED顯示系統是近幾年發(fā)展起來的新型電子產物，因其獨特的顯示方式和別具一格的顯示效果以及低功耗、高效率的特點贏得了廣闊的市場發(fā)展空間。本文是以Altera公司Cyclone II系列的FPGA（EP2C8Q208C8N）芯片為主控高速處理器，通過無刷直流電動機的高速旋轉帶動LED顯示屏動作，通過主副線圈電磁耦合感應給旋轉部分供電，采用紅外收發(fā)管的檢測配合主控器的處理實現旋轉顯示內容位置的穩(wěn)定，用硬件描述語言語言（Veirilog HDL）實現控制代碼的編寫，借助視覺暫留效應來實現顯示系統的設計，最后進行組合調試。

1 本文的目的及意義

隨著LED器件性能不斷提高，傳統的LED字屏價格高昂、放置位置固定、不易挪動、互動性不強，顯得十分不便。因此，具有設計簡單、攜帶便利、變換內容信息容量大等優(yōu)點的—旋轉LED顯示，具有十分重要的意義。

2 發(fā)展現狀

LED顯示屏作為新型的顯示器件出現在各樣LED項目中，國內LED企業(yè)承擔了工程項目的主體部分，供應了大批的LED產品，這也表明了LED顯示屏行業(yè)未來的趨勢。伴著LED高性能材料的逐步開發(fā)，更新穎的LED顯示屏也漸漸浮現，因此旋轉LED顯示屏也會得到普及，它的誕生必將服務于人類生活。

3 主要內容

本文主要針對硬件結構進行設計，一款以Altera公司Cyclone II系列FPGA為核心控制器的旋轉LED顯示系統。利用FPGA主控芯輸出端口輸出高低電平驅動LED燈的亮滅，通過Rf370電動機的高速旋轉帶動LED旋轉臂轉動，加上紅外對管位置檢測確定顯示，最后利用人眼視覺暫留效應顯示出預期的文字和圖案。路給系統供電，對旋轉部分實現無接觸供電，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

3.1 FPGA控制模塊

Cyclone款產品是Altera公司系列產品中成本最低、性價比最高，內部大概結構如圖2、圖3所示，該器件有5種邏輯資源：邏輯陣列塊（LAB）、可編程I/O控制模塊、嵌入式陣列塊（EAB）、鎖相環(huán)（PLL）和可編程內部連線陣列。

圖2 Cyclone ll系列FPGA基本結構圖

圖3 Cyclone II系列I/O端口簡圖

FPGA是一種功能可變的器件，下載的代碼決定了它最終的作用，在上電運行時，那些特殊的代碼數據保存在系統配置的SDRAM上，如圖4所示。FPGA斷開電源后會丟掉之前寫入的邏輯信息，現實使用須為FPGA芯片配置一個專門的ROM。

圖4 SDRAM連接電路圖

3.2 電源電路的設計

多電源供電是FPGA系統的特點，以Cyclone II系列芯片構成的FPGA最小系統為例，NIOS II內核電壓3.3V，外圍輸入/輸出電壓為1.2V，FPGA的外圍電壓分別為3.3V、1.2V，Altera公司沒有為其設計專用的電源芯片，電源電路設計較為靈活。本文選擇的AMS1117為其轉換電壓，這是一種正向低壓降穩(wěn)壓器，它的漏失電壓非常低，工作溫度范圍是-40°C～125°C；另外它的內部集成了特殊的保護電路，是電源設計的最佳選擇，電源電路如圖5所示。

圖5 +3.3V、+1.2V電源電路

3.3 LED顯示模塊

LED顯示模塊是顯示系統設計的主要界面部分，是顯示內容的主要顯示平臺。該模塊在主要包括LED特點、結構和原理的簡單介紹，還有電路圖及硬件連接方式的設計。

3.4 電機的選型

考慮到設計是旋轉顯示屏，需要電機有很高的轉速，并且要滿足簡便、低成本和方便驗證等要求，所以選擇價格低廉的Rf370CA-15370型號直流電動機。該型號電機大概重51g，電壓工作范圍是3-12V，額定工作電壓12V，無負載時的轉速是5600r/min，電流是0.026A；在最大效率時的轉速為4840r/min，電流0.17A，輸出功率是1.25W；堵轉時的電流是1.06A。綜合考慮本設計的設計要求，該款電動機完全滿足設計需要，設計所用電機實物圖如圖6所示。

圖6 Rf370電動機實物圖

3.5 電源模塊及紅外對管檢測模塊

檢測觸發(fā)有各種方式：機械檢測、紅外光電檢測、磁電檢測。但是機械觸發(fā)缺點噪音大、精度低、易磨損；紅外光電觸發(fā)無噪聲、精度較高且無機械損耗，故本設計采用紅外光電檢測方式。采用紅外對管來檢測顯示開始的位置，接收到紅外信號后，將譯碼成控制信號，整個系統狀態(tài)切換，信息讀取、存入、更新等。

電源模塊為FPGA主控的旋轉LED顯示系統提供動力源，為各模塊提供電源，尤其是電機驅動模塊和旋轉臂上LED顯示部分。機械旋轉臂部分的供電和電機驅動部分是沒有直接接觸的，所以系統供電電源分為兩部分—靜止供電部分和旋轉（無線）供電部分：靜止部分主要包含USB供電+5V接口、高頻自激振蕩電路，旋轉部分主要包含接收線圈和整流穩(wěn)壓濾波電路。

小結：本文主要介紹了旋轉LED顯示系統整體硬件設計方案，對FPGA控制模塊、LED顯示模塊、電機驅動模塊、紅外對管檢測模塊、電源模塊等的功能和核心器件進行了詳細說明，在硬件理論方面實現了對LED顯示系統的設計。