随着时代的发展,传统的LED显示屏慢慢已经不能满足人们对于美观,信息传递等上面的要求,相信这种新型的旋转LED显示屏会在不远的将来逐步代替传统的LED旋转显示屏。
2 总体设计方案与论证
2.1 总体设计
旋转LED显示屏最基本的就是LED显示模块(即LED驱动芯片),又由于是旋转显示屏,所以电机模块也必不可少。其次,要控制LED显示所以还需要控制芯片。再者,为了便于更改显示内容且需要其在电机高速旋转的情况下更改,所以又需要无线通讯模块。当然电源模块必不可少。总结之后总体结构框图如下所示:
图2.1 总体设计框图
2.2 主控芯片的选择
本次设计是高速旋转的LED显示屏,驱动芯片若采用DM633的话,假设没转一圈更新数据300次,电机转速保500 r/min,则DM633的最小时钟频率为
=13.824MHz ①
所以说选择芯片时最主要的依据就是要能满足该时钟频率的要求。
对于主控芯片的旋转主要有两种,一种就是采用STM32F103系列的ARM芯片,另外一种就是采用FPGA。
下面对于这两张芯片做一下简要的比较,见表2.1
表2.1 STM32F103xx与FPGA比较(商业级)
芯片 STM32F103xx FPGA
最高主频 72MHz 350MHz
最大IO口翻转率(MHz) 8M(定时器可达72M) 350MHz
可用IO口 76个(除去配置引脚) 91个(除去配置引脚)
操作温度 -40~105°C 0~85°C
功耗 434mW(LQFP100) 有动态功耗(一般W级别)
抗干扰能力 较弱 较强,稳定性好
编程难以 较复杂 较简单
价格 28元 38元
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列:STM32F103“增强型”系列时钟频率达到72MHz,是同类产品中性能最高的产品。但实测IO口翻转频率最高只能达到5M左右,网上资料也表示若直接用汇编操作寄存器,最高IO翻转频率也只能达到8M。由公式 ①可以知道,8M的翻转频率远远不够,且STM32操作起来延时较高,对应本次设计的高速要求有很大的影响,而且STM32在强磁场环境下的稳定性不入FPGA,所以该方案暂时放弃。(后来了解到,STM32若用内部定时器操作IO口,翻转频率可以达到72MHz,但由于已经着手FPGA并且取得了部分进展,所以还是没有采用该方案。)
FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言(Verilog 或 VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至 FPGA 上进行测试,是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。跟stm32相比,速度更高、稳定性更好、操作起来更方便,所以最终确定选用FPGA作为主控芯片。
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