全彩色LED显示屏系统的设计与实现

摘要

LED显示屏是由LED点阵模块组成的一种现代平面显示屏幕，具有发光亮度高、使用寿命长、环境适应能力强等优点，广泛应用于金融、交通、广告宣传等领域。随着技术的不断更新，LED显示屏正朝着高亮度、全彩色的方向发展，全彩色LED显示屏正越来越展现出其广阔的应用前景。
　　 LED显示屏系统核心技术是其控制器的设计，传统的显示屏控制器多采用微处理器来完成显示刷新，通信方式上则采用单一的串行通信，这种系统在数据处理速度、通信能力上都存在一定的局限性。基于此，在分析前人研究经验的基础上，本文将FPGA和网络技术引入到显示屏控制系统中，设计了一种新型的全彩色LED显示屏控制系统，全文所做的主要工作如下：
　　 (1)深入分析了LED显示屏的工作原理，在此基础上提出了STM32+FPGA的控制系统方案，采用ARM Cortex-M3内核微处理器STM32作为控制中心，以FPGA完成对显示屏的高速显示刷新，完成了系统原理图和PCB版图的设计、电路板的制作与调试等。
　　 (2)分析了STM32微处理器FSMC总线的特点，扩展10M/100M网卡DM9000A实现以太网通信，为LED显示屏系统的通信提供了新的解决方案。
　　 (3)完成了系统软件平台的设计与实现，包括上位机应用软件、微处理器控制软件和FPGA控制软件三部分，完成了uIP协议栈的移植、DM9000A网卡驱动程序编写、FPGA逻辑设计和上位机应用程序编写等。
　　 (4)为了验证显示屏控制器的正确性，设计了LED显示屏驱动电路，采用74HC138行驱动、74HC595列驱动，制作了一个32×32像素的全彩色LED点阵屏。
　　 系统在实验室验证，实现了LED显示屏的全彩图像显示，显示画面清晰，系统工作稳定可靠，该系统可支持256级灰度全彩LED显示屏的图像、动画的显示，同时能够接入Internet进行远程控制，是一种具有实际应用价值的全彩色LED显示屏系统。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 LED显示屏研究现状与发展趋势

1.3 研究的目的、意义

1.4 主要研究内容及论文结构

第2章 LED显示屏工作原理及系统整体设计

2.1 LED显示屏工作原理

2.1.1 LED发光原理

2.1.2 LED器件驱动原理

2.2 系统整体设计

2.2.1 系统工作原理

2.2.2 系统硬件结构

2.2.3 系统软件结构

2.3 系统开发工具

第3章 系统硬件设计

3.1 微处理器硬件设计

3.1.1 微处理器的选型

3.1.2 电源电路

3.1.3 JTAG调试接口电路

3.1.4 串行接口电路

3.1.5 以太网接口电路

3.1.6 FLASH存储器接口电路

3.2 FPGA硬件设计

3.2.1 FPGA芯片的选型

3.2.2 静态存储器的选择

3.2.3 信号缓冲电路

3.3 LED显示屏驱动电路的设计

3.3.1 LED显示屏的组成

3.3.2 LED显示屏的驱动方式

3.3.3 驱动电路设计

3.4 电路板设计

第4章 系统软件设计

4.1 微处理器程序设计

4.1.1 微处理器程序的总体框架

4.1.2 uIP协议栈的移植

4.1.3 DM9000A驱动程序

4.1.4 串口驱动程序

4.2 FPGA软件设计

4.2.1 FPGA的开发流程

4.2.2 灰度调制单元的设计

4.2.3 存储器切换模块的设计

4.2.4 扫描驱动模块的设计

4.2.5 FPGA数字电路设计经验总结

4.3 上位机应用软件

4.3.1 串口通信的设计

4.3.2 网络通信的设计

第5章 系统测试

5.1 硬件调试

5.1.1 显示屏控制器的调试

5.1.2 显示屏的调试

5.2 软件调试

5.2.1 串口调试

5.2.2 网络调试

5.3 系统整体测试

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 显示屏控制器原理图和实物图

附录2 全彩LED单元板原理图和PCB实物图

附录3 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目