【正文】 ...................................20 硬件設(shè)計(jì)調(diào)試過程 .........................................................................................23 軟件設(shè)計(jì)調(diào)試過程 .........................................................................................25 硬件與軟件設(shè)計(jì)調(diào)試過程的小總結(jié) ..................................................................27 6 結(jié)論 ............................................................................................................27 謝辭 ..................................................................................................................29 參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................30 附 錄 ..................................................................................................................31 第 1 頁 共 41 頁 引言 LED 顯示屏 Light Emitting Diodede： 又叫 電子顯示屏 。隨著現(xiàn)代的進(jìn)步 ， LED 顯示屏在制作工藝有很大的改善，并且在性能上有了很大的進(jìn)步。雖然在市場上顯示屏的種類各式各樣，從各式各樣的型號到各式各樣的種類從對顯示驅(qū)動原理到驅(qū)動方式再到實(shí)際應(yīng)用范圍都各不相同，但 LED 顯示屏 作為現(xiàn)代顯示器技術(shù)的發(fā)展的產(chǎn)物，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域擁有一席之位。 目前，在國外很多國家的街道上隨處可見，作為信息傳輸?shù)墓ぞ?，在?shí)際應(yīng)用和顯示的效果都很好。 LED 顯示屏顯示畫面清晰，色彩豐富艷麗，在國外的各個行業(yè)都有了廣泛應(yīng)用。如廣告宣傳、交通信號燈、汽車、教育系統(tǒng)、火車站、證券公司、大型商場等。但是在控制技術(shù)方面還有很多不足。由于 LED 顯示屏發(fā)出的光很亮，并且閃爍對人眼睛刺激很大，這是由于技術(shù)的不成熟所 導(dǎo)致的，所以國外對 LED顯示屏技術(shù)還處在發(fā)展段。 目前，在國內(nèi) LED 顯示屏受到很多個體戶和企業(yè)廣泛的研究和應(yīng)用從而得到迅速的發(fā)展。這是因?yàn)?LED 顯示本身所具有高亮度、低功耗、環(huán)保、可大型化、使用壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)異的特性。在國內(nèi) LED 顯示屏在實(shí)際應(yīng)用，主要是作為傳輸信息的工具。如電子顯示屏門牌，墻式電視機(jī)等。而且 LED 在照明上也應(yīng)用很廣泛，是因?yàn)?LED 發(fā)光亮度很高。所以，在國內(nèi)外 LED 的發(fā)展前景非常廣闊，正邁向更高耐氣候性、高的發(fā)光密度、高穩(wěn)定性 方向 發(fā)展。 本課題設(shè)計(jì)的是基于 FPGA 的彩色點(diǎn)陣控制器。彩色點(diǎn)陣屏制作工藝發(fā)展迅速，在性能上也有很大的提高，這樣對控制電路的要求也越來越高。由于 LED 顯示屏的亮度太高，色彩豐富等優(yōu)越特性，本課題結(jié)合 LED 顯示屏的一些特性，制作一款性能優(yōu)越的 LED 顯示屏控制電路。要想制作出一款彩色顯示屏控制器在性能上有更高的要求，可以從 LED 顯示屏色彩豐富和低功耗著手，使得 LED 顯示的顏色更艷麗，畫面更生動 ，耗能更少。在國內(nèi)外有很多人對 LED 顯示屏控制器有研究，但是設(shè)計(jì)出來的控制器 控制顯示屏顯示的效果還不是很好。如出現(xiàn)閃爍，屏體太亮，顯示的顏色不夠豐富，畫面不夠生動等缺點(diǎn)。 所以本課題研究是結(jié)合 LED 顯示屏的優(yōu)越特性設(shè)計(jì)的一款控制器 。 根據(jù)對 LED 點(diǎn)陣屏發(fā)光的特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成分析。再根據(jù) LED 顯示屏的特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選定需要使用的驅(qū)動控制芯片。結(jié)合芯片的工作原理從而設(shè)計(jì)一款 LED 顯示屏的驅(qū)動控制電路。最后，結(jié)合 Verilog 語言設(shè)計(jì)的特點(diǎn)再結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)編寫軟件 LED 顯示屏掃描控制程序。由于本課題設(shè)計(jì) 使用動態(tài)和靜態(tài)的掃描技術(shù)。動態(tài)掃描技術(shù)必須選用移位寄存器，必須在時間上控制數(shù)據(jù) 的移位，可以讓畫面產(chǎn)生動態(tài)。靜態(tài)掃描技術(shù)以靜態(tài)鎖存器掃描方式，把所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)送到鎖存器并且打入屏體中顯示，并且充分保證 LED亮度。綜合上所述，結(jié)合對 LED 顯示屏的種種因素的影響和利用 LED 的優(yōu)越特性設(shè)計(jì)出對 LED 顯示屏控制器的掃描程序，再結(jié)合 FPGA 開發(fā)板功能 和驅(qū)動控制電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對 LED 點(diǎn)陣屏的控制，從而可以顯示文字信息和圖文信息等動態(tài)和靜態(tài)信息。 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 2 頁 共 41 頁 1 方案論證 本章節(jié)是從理論上分析 LED 顯示屏控制器的方案，包括方案對比、芯片選擇、軟件設(shè)計(jì)模塊論證。 整體設(shè)計(jì)論證 根據(jù)對 LED 顯示屏的內(nèi)部 組成結(jié)構(gòu)有了一定的研究。本節(jié)分析對 LED 顯示屏的基本結(jié)構(gòu)和工作流程。其中包括設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)與硬件控制系統(tǒng)通過 FPGA 開發(fā)板的結(jié)合，和對數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的顯示。首先，對整體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析；其次對對硬件驅(qū)動設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析；最后，對軟件驅(qū)動設(shè)計(jì)進(jìn)行理論的分析。 LED 圖文顯示屏系統(tǒng)由軟件控制系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、 LED 顯示點(diǎn)陣、電源、 FPGA 開發(fā)板等部分組成。 根據(jù) LED顯示屏的特性，并且經(jīng)過實(shí)際的驗(yàn)證來了解 LED顯示屏的特性，結(jié)合 LED顯示屏其特性和經(jīng)過測試的 LED 顯示屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)選定需要用什么樣的驅(qū)動控制芯片，設(shè)計(jì)一 款該 LED 顯示屏的驅(qū)動控制電路，并且使用 protel 99 畫圖軟件設(shè)計(jì)出 LED 顯示屏的驅(qū)動控制電路原理圖，制作一塊 LED 顯示屏的驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件。由于本課題設(shè)計(jì)的是基于 FPGA 的 LED 顯示屏控制器設(shè)計(jì)，所以在選用 FPGA 系列芯片是要考慮很多方面的問題。例如，邏輯單元數(shù)、存儲單元數(shù)等等。結(jié)合這些問題本設(shè)計(jì) 使用 Altera FPGA 系列為 EP2C5T144C8N 芯片制作的 FPGA 最小系統(tǒng)開發(fā)板。在對軟件設(shè)計(jì)時需要了解開發(fā)板的相關(guān)知識并且確定選用什么樣的軟件開發(fā)工具，設(shè)計(jì)軟件掃描控制部分。本課題設(shè)計(jì)選用的是 Ve rilog 語言編寫軟件掃描控制部分。最后，結(jié)合 Verilog 語言設(shè)計(jì)的特點(diǎn)再結(jié)合設(shè)計(jì)的硬件電路的特點(diǎn)在 Quartus Ⅱ 開發(fā) 軟件上編寫 Verilog HDL程序 對LED 顯示屏的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì) LED 顯示屏的掃描控制部分。 結(jié)合前兩個硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)加上軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)就可以制作出彩色點(diǎn)陣控制器。 圖 為 彩色點(diǎn)陣控制器 基本結(jié)構(gòu)框圖。 圖 彩色點(diǎn)陣控制器基本結(jié)構(gòu) FPGA開發(fā)板 軟件控制系統(tǒng) 硬件控制電路 行驅(qū)動芯片模塊 列驅(qū)動芯片模塊 LED 點(diǎn)陣顯示屏 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 3 頁 共 41 頁 硬件模塊設(shè)計(jì) 論證 查找與 LED 顯示屏相關(guān)資料并了解，接下來需要確定使用什么芯片去驅(qū)動 LED 顯示屏。 本課題設(shè)計(jì)使用的是雙基色 LED 顯示屏，需要對 LED 顯示屏的行和列進(jìn)行驅(qū)動，而且要選擇使用什么樣的驅(qū)動控制方案非常重要。 LED 顯示屏驅(qū)動控制方案的比較 方案一：串行控制驅(qū)動方式通過一個串行輸入并行輸出的驅(qū)動芯片。把將要顯示的數(shù)據(jù)通過串行的傳輸方式發(fā)送入驅(qū)動芯片寄存器中寄存，通過程序?qū)π酒氖鼓苄盘柖丝刂?，控制?shù)據(jù)的顯示。其特點(diǎn)是在制作電路板的時候線路連接簡單點(diǎn)。這樣給電路板的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便，同時給調(diào)試電路板電路的時候減少了工作量。串行控制驅(qū)動方式芯片可選的有： 74HC595 和 74LS595 等等。但由于這些芯片在工作時的驅(qū)動能力很差，一般都用于對 LED 顯示屏列的驅(qū)動。串行控制驅(qū)動方式還有一個難點(diǎn)就是在軟件設(shè)計(jì)時要對數(shù)據(jù)傳輸時，進(jìn)行時鐘控制，對應(yīng)的把每個數(shù)據(jù)傳輸，送入寄存器寄存。對于行驅(qū)動方式相對比較容易，只要把在 LED 顯示屏的數(shù)據(jù)分時順序送出去，但是其驅(qū)動能力就很弱，由于對 LED 顯示屏驅(qū)動能力要大，可以在驅(qū)動芯片和 LED 顯示屏之間加上三極管或者 CMOS 管來增強(qiáng)其驅(qū)動能力。 方案二：并行控制驅(qū)動方式是將顯示的數(shù)據(jù)通過并行口輸入到顯示屏，每送一個字節(jié)就能完成一個整個顯示屏一行的輸入。并行控制驅(qū)動方 式的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)刷新顯示屏的頻率快，這樣就降低對驅(qū)動電路的要求了。同時，對數(shù)據(jù)的處理速度上的加快相應(yīng)的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，想要使得系統(tǒng)更穩(wěn)定在制作電路的時候要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整線路的寬度。可以采用 74HC373 級聯(lián)的方式控制。而并行控制驅(qū)動在制作電路板的時候工作量很大，由于輸入輸出的引腳數(shù)相同，在焊孔和電路的數(shù)目上都有大量的增加，同時，也給調(diào)試電路板的時候帶了很大的難度。 根據(jù)本課題設(shè)計(jì)所買的 LED 顯示屏是共陽的接法，并且考慮在制作電路板和調(diào)試帶來方便，本課題設(shè)計(jì)選用串入并出的控制方式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。 LED 顯示屏驅(qū)動方式芯片選定 通過對驅(qū)動方式的比較，本課題設(shè)計(jì)選用了 74HC595 和 74HC138 芯片。在制作 LED顯示屏的列驅(qū)動芯片一般都使用 74HC595 芯片。 74HC595 是一款串行輸入并行輸出數(shù)據(jù)的移位寄存器芯片。 74HC595 芯片是通過 1 1 13 組合邏輯來控制對數(shù)據(jù)輸入、移位、儲存、輸出。制作 1616 雙基色點(diǎn)陣屏?xí)r，要用到四片 74HC595 芯片，因?yàn)槭屑t燈和十六列綠燈，所以需要兩片 74HC595 芯片對 16 列為紅燈和兩片 74HC595芯片對 16 位綠燈進(jìn)行亮滅的控制。對于 LED 顯示屏行的控制驅(qū) 動芯片可以有很多選擇性 ?？梢愿鶕?jù)點(diǎn)陣屏的特點(diǎn)和自己的需求進(jìn)行選擇。對于共陽的 LED 顯示屏使用74HC138 芯片，結(jié)合用三極管設(shè)計(jì)的一個反相器電路，從而實(shí)現(xiàn)對 LED 點(diǎn)陣屏的行進(jìn)行控制。對于共陰的 LED 顯示屏有很多種選擇，并且可以不用加反相器電路就可以對LED 顯示屏的行進(jìn)行控制。 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 4 頁 共 41 頁 存 儲 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 軟件控制模塊設(shè)計(jì)論證 本課題設(shè)計(jì)使用的是 FPGA 開發(fā)板最小系統(tǒng)，所以使用了編程語言是 Verilog。要通過 Verilog 語言描述對驅(qū)動控制芯片進(jìn)行控制，如 圖 為 軟件控制整體設(shè)計(jì)思路圖。 圖 軟件控制整體設(shè)計(jì)思路圖 注意：由于顯示屏不能在同一時刻顯示出來漢字，必須通過硬件控制電路和軟件控制系統(tǒng)的完美的結(jié)合才能顯示一個完整的漢字。為了能更好的顯示一個完整的漢字，必須用漢字取模軟件進(jìn)行取模，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候要排整要發(fā)送數(shù)據(jù)的順序。同時在傳輸數(shù)據(jù)的時間上也要控制好，利用人眼視覺的惰性調(diào)整，讓每一次刷新顯示屏的時間剛好讓人眼感覺不出 LED 顯示屏有間斷性的亮滅。如果時間沒有調(diào)整好就會出現(xiàn)閃爍，造成顯示的效果不是很好。在確定使用什么驅(qū)動方式后，結(jié)合 LED 顯示屏和芯片來分析數(shù)據(jù)的顯示，圖 為數(shù)據(jù)顯示等效圖。 列行 第一列 ...... 第十六列 第一列 ...... 第十六列 第 一 行 紅色數(shù)據(jù)區(qū) 綠色數(shù)據(jù)區(qū) . . . . . 第 十 六 行 圖 數(shù)據(jù)顯示等效圖 控制器 行控制程序 列驅(qū)動程序 時鐘輸入 LED 屏 顯 示 數(shù) 據(jù) 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 5 頁 共 41 頁 2 硬件驅(qū)動電路 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 從理論上分析 LED 顯示屏控制器后，根據(jù)選用的芯片設(shè)計(jì)一款控制器。從硬件電路的總體設(shè)計(jì)到個個模塊的實(shí)現(xiàn)。 硬件總體電路設(shè)計(jì)思路 經(jīng)過查找 74HC138 芯片的相關(guān)資料對其進(jìn)行研究，根據(jù)自己的研究在腦海里形成設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)使用 74HC138 芯片的 7 腳和 9 至 15 腳譯碼器八位數(shù)據(jù)輸出作為顯示屏行控制信號輸出，控制顯示屏一行燈的亮滅； 1 至 3 腳二進(jìn)制編碼輸入端作為行控制信號的輸入，通過 74HC138 內(nèi)部電路的譯碼，控制行的亮滅； 4 腳和 5 腳輸入控制端和 6 腳輸入控制端作為芯片工作的使能控制端，控制 74HC138 芯片譯碼。使用 74HC595 芯片的 15 腳和 1 至 7 腳并行八位數(shù)據(jù)輸出作為顯示屏列數(shù)據(jù)的輸出，來控制顯示屏的十六列燈的亮滅； 9 腳 級聯(lián)輸出端 作為數(shù)據(jù)輸入 ； 10 腳復(fù)位端，因?yàn)榈碗娖接行?，不需要把?shù)據(jù)清除，把復(fù)位端直接 VCC； 11 腳移位寄存器數(shù)據(jù)移位時鐘輸入端作為移位寄存器芯片 控制數(shù)據(jù)移位信號； 12 腳移位寄存器存儲數(shù)據(jù)時鐘輸入端作為移位寄存器芯片數(shù)據(jù)寄存信號控制端； 13 腳移位寄存器使能作為輸入的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，因?yàn)槭鼓芸刂菩盘柺堑碗娖接行?，為了使電路設(shè)計(jì)