基于FPGA+STM32+WiFi+Bluetooth的RGB立方体点阵

原创已于 2025-12-07 12:37:09 修改 · 1.1k 阅读

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#嵌入式硬件 #单片机 #fpga开发

于 2025-05-12 15:18:44 首次发布

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#当你胡思乱想的时候，要告诉自己的脑瓜子，到底谁才是自己的主控。

#只不可乎骤得，托遗响于悲风

注意：由于研究生活的原因，STM32和FPGA的配套代码和固件未完成，因此，本项目适合有代码基础的小伙伴！！！！！

另外：预留了无线充电的接口，方便DIY！！！

在嵌入式系统和电子爱好者领域，RGB LED 点阵立方体是一种非常吸引人的可视化展示项目。它不仅可以用于演示动画、音乐节奏响应、甚至作为物联网（IoT）终端显示屏，还能作为一个综合性项目，锻炼硬件与软件协同设计的能力。

本项目实现了一个基于FPGA + STM32 + WiFi + Bluetooth 的RGB立方体点阵控制系统，结合了高速数据驱动、主从控制结构与无线通信能力，具备良好的可扩展性与可玩性。本项目主要特点如下：

构建一个 13x13x6 RGB LED 点阵立方体
使用FPGA实现高速并行（也包含串行）控制与PWM色彩管理；
使用STM32作为主控，完成逻辑管理、数据通信处理；
支持WiFi和Bluetooth无线通信，实现远程控制；
具备图案、动画显示功能，支持动态内容更新；

1.系统架构

1.1 FPGA

核心芯片：LCMXO3-6900C-BGA256

LCMXO3-6900HC-BGA256是Lattice公司推出的一款低功耗、小封装、高性价比的FPGA芯片，属于MachXO3系列。该系列广泛应用于接口桥接、控制逻辑扩展、嵌入式控制以及低速数据处理等场景。

功能：
- 数据缓冲与解析（如：解析STM32发送的IIC信息）；
- PWM 色彩控制；
- 行列扫描控制；
- 帧同步与层刷新（逐层点亮）……

1.2 STM32 控制器

型号：STM32F411
功能：
- 接收无线命令（UART / WiFi / BLE）；
- 管理图案数据缓存；
- 与 FPGA 进行并口通信，同时支持通过IIC下发至FPGA；
- 动画帧控制与时间管理……

1.3 无线通信模块

模块：ESP32-WROOM-32E（可串口通信）

内部集成 Wi-Fi + Bluetooth + Bluetooth LE MCU模组。

功能：
- 与手机App或上位机通信；
- 实时发送图案或动画控制指令；
- 支持动态更新图案内容……

2.硬件设计

2.1 主控板

2.1.1 电源设计

为了兼顾便携性、扩展性和高电流供电能力，本项目采用了多种电源输入方式，结合锂电池供电和高效同步降压管理，确保RGB立方体系统稳定运行。电源拓补图如图2.1所示。

图2.1 电源拓补图

电源管理采用的是TLV62130ARGTR芯片，该产品是TI出品的一款高效率、宽输入电压、同步降压转换器，非常适合本项目对3.3V稳压供电的需求。其部分原理图如图2.2所示。

图2.2 电源管理原理图

注意：控制板预留了一个锂电池无线充电模块，调试时可使用TYPE-C供电，成品的时候使用内部锂电池供电。

2.1.2 FPGA设计

电源供电：

电源	描述
核心电压	3.3V
IO电压	3.3V

配置电路：

LCMXO3 为 Flash-Based FPGA，支持免外部配置芯片启动：

内部 Flash 启动逻辑：上电自动加载 Bitstream，无需外挂ROM
支持 JTAG 和 IIC 配置

时钟电路：

使用有源晶振（125MHz）提供系统时钟
FPGA 内部 PLL 用于倍频至 WS2812 所需高精度时序

管脚分配：

功能	数量	描述
RGB 控制口	好多	WS2812 数据线，支持每行单独控制
STM32 通信	若干	IIC，IO
LED，KEY	几个	显示工作状态
JTAG配置和烧录	好几个	烧录和配置

FPGA部分原理图如图2.3所示。

图2.3 FPGA部分原理图

2.1.3 STM32设计

本项目采用 STM32F411CEU6 作为主控制核心，负责系统管理、图像生成、通信收发、用户交互处理等功能。该芯片基于高性能的 Cortex-M4 架构，具备丰富的接口资源，能够胜任较复杂的图像与外设调度任务。

电源部分：

主供电：3.3V，来自系统主电源（TLV62130 降压）
滤波：电源引脚旁加 0.1uF + 4.7uF 去耦电容
复位电路：按键复位

晶振：

外接 25MHz 有源晶振，供系统主时钟
内部 PLL 倍频至 84MHz~100MHz 工作频率
外部32.768KHz RTC 晶振

管脚分配：

IO	描述
普通IO	提供与FPGA并行护数据传输
IIC，SPI	与FPGA通信
USART	烧录和与ESP32通信
LED，KEY	显示工作状态

STM32电路原理图如图2.4所示：

图2.4 STM32原理图

2.1.4 ESP32设计

本项目中采用 ESP32-WROOM-32E-N8 模块实现无线通信功能，支持 Wi-Fi 和蓝牙双模连接，可用于远程图案控制、固件升级、状态监测等。ESP32 作为联网接口，在系统中扮演“无线中枢”的角色，连接用户端与 STM32 主控，从而实现可视化远程控制。

电源管理：

主供电：3.3V，来自系统主电源（TLV62130 降压）
滤波：ESP32 供电引脚附近需布置多个 0.1uF + 10uF 去耦电容

管脚分配：

接口	连接对象	说明
UART0	STM32	用于命令传输、数据回传
UART1	调试口	用于开发调试
GPIO	LED 状态灯、按键输入	显示连接/运行状态

ESP32原理图如图2.5所示：

图2.5 ESP32原理图

2.1.5 传感器设计

为了增强 RGB 点阵立方体的互动性和环境感知能力，本设计中引入了两种常见的传感器：

MPU6050：6轴姿态传感器
SHT20：高精度温湿度传感器

MPU的作用与用途：

实时检测 RGB 立方体的姿态
可用于根据方向调整显示内容
拍一拍触发图案切换
手势控制

SHT20的作用与用途：

实时检测环境温度和湿度
可实现：
- 温度过高自动调暗 RGB LED
- 湿度变化触发色彩变换
- 数据上传到远端

传感器的原理设计如图2.6所示：

图2.6 传感器原理图

2.2 RGB LED板

RGB 点阵立方体的核心是 LED 面板的设计与控制。本项目采用了高度集成、串行控制的 WS2812 智能 RGB LED 方案，构建了每面 13×13 的点阵，共计 6 面，形成立体展示结构。

由于WS2812对电源纹波的高要求，每面加入多个100uF 电解+0.1uF 陶瓷滤波。其电路原理图如图2.7所示。

图2.7RGB原理图

3.软件设计

移步至阁下的大脑，谢谢合作！！！

4.实物展示

4.1 主控板

主控板的PCBA图如图4.1所示：

图2.8 主控板的PCBA图

4.2 RGB LED板

LED板的PCBA图如图4.2所示：

图4.2 LED板的PCBA图

4.3 最终组装图

图4.3 最终组装图

5.总结

这个 RGB 点阵立方体项目不仅展示了多种技术的融合（FPGA 时序控制、STM32 逻辑管理、无线通信、图形可视化），也为进一步的多模态交互和物联网应用打下了良好基础。

通过本项目的实践，开发者可以深入掌握软硬件协同设计的全过程，是一个非常值得 DIY 爱好者和电子工程师尝试的项目。

6.展望

不好，大脑又被控制了，不知道咋写了！