【正文】 基于FPGA的滾字屏顯示設(shè)計(jì) 李涵三明學(xué)院2006級電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 福建三明 365004[摘要]: 本文對基于FPGA控制的LED漢字滾動顯示器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。提出了兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方案。并對其中一個(gè)方案作了詳細(xì)說明。文中首先介紹了LED發(fā)光二極管點(diǎn)陣的控制原理；然后研究了在LED發(fā)光二極管點(diǎn)陣上滾動顯示漢字的方法；最后，用VHDL語言程序設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的LED漢字滾動顯示器。本系統(tǒng)由掃描控制模塊、只讀存儲器ROM和FPGA外面的LED點(diǎn)陣顯示模塊、一個(gè)反相器和兩個(gè)416譯碼器構(gòu)成。其中：掃描控制模塊和只讀存儲器ROM集成在FPGA芯片內(nèi)部。兩個(gè)416譯碼器(74LS154)和一個(gè)反相器配合FPGA中的列掃描控制模塊共同完成了兩塊1616點(diǎn)陣顯示模塊的32列的掃描控制。FPGA定義的只讀存儲器ROM中保存了要顯示的漢字的數(shù)據(jù)，并以16位的數(shù)據(jù)寬度輸出到LED陣顯示模塊的行端，配合列掃描控制共同完成漢字的滾動顯示。本系統(tǒng)利用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動化(EDA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全硬件方式的LED點(diǎn)陣顯示。利用FPGA內(nèi)部的物理資源，將只讀存儲器ROM和主要功能模塊設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)部。充分顯示了EDA技術(shù)設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)也大大提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。[關(guān)鍵詞]：FPGA LED EDA 動態(tài)掃描第1章 緒 論 本設(shè)計(jì)的研究背景和研究目的受到體育場館用LED顯示屏需求快速增長的帶動，近年來，中國 LED顯示屏應(yīng)用逐步增多。目前，LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用在銀行、火車站、廣告、體育場館之中。而隨著奧運(yùn)會、世博會的臨近，LED顯示屏將廣泛的應(yīng)用在體育場館以及道路交通指示中，LED顯示屏在體育廣場中的應(yīng)用將出現(xiàn)快速增長。2007年，%，%，雙色顯示屏的需求額位于第二位，占整體市場的40%。 20062010年中國LED顯示屏市場規(guī)模2008年奧運(yùn)會的召開將會直接推動體育場用屏幕數(shù)量的快速增加，同時(shí)，由于奧運(yùn)會用屏對LED顯示屏的質(zhì)量要求也較高，因此，高端屏幕的使用比例也將會增加，數(shù)量和質(zhì)量的提高帶動LED顯示屏市場的增長。除了體育場館之外，奧運(yùn)會和世博會等重大活動召開的另一直接推動領(lǐng)域就是廣告領(lǐng)域國內(nèi)外的廣告公司必然會看好奧運(yùn)會和世博會帶來的商機(jī)，因此必然會增加廣告用屏的數(shù)量來提高自身收入，從而促進(jìn)了廣告用屏市場的發(fā)展。奧運(yùn)會和世博會等重大活動的召開必然會伴隨著很多大型活動，政府、新聞媒體和各種組織都可能會在奧運(yùn)會和世博會之間舉辦各種相關(guān)活動，某些活動可能需要大屏LED，這些需求直接帶動顯示屏市場。目前，國內(nèi)從事LED顯示屏生產(chǎn)的企業(yè)眾多，同時(shí)，受到外資企業(yè)LED顯示屏價(jià)格過高的影響，在中國LED顯示屏市場上多以本土企業(yè)為主。目前，本土LED顯示屏生產(chǎn)企業(yè)除供應(yīng)國內(nèi)需求外，還不斷把產(chǎn)品出口到國外市場。而近年來，受到成本壓力的影響，國際上一些知名的LED顯示屏企業(yè)也逐步把 生產(chǎn)基地移到了中國，如巴可在北京設(shè)立了顯示屏生產(chǎn)基地，Lighthouse在惠州也擁有生產(chǎn)基地，Daktronics、萊茵堡都在國內(nèi)設(shè)立了生產(chǎn)工廠。隨著國際LED顯示屏生產(chǎn)大廠不斷把生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)移至國內(nèi)， 加之國內(nèi)眾多的LED顯示屏本土企業(yè)，中國正在成為全球LED顯示屏的主要生產(chǎn)基地。因此研究研究LED漢字滾動顯示屏的設(shè)計(jì)方法具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 研究內(nèi)容及方法采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的漢字滾動顯示器，通常需要使用單片機(jī)、存儲器和制約邏輯電路來進(jìn)行PCB（印制電路板）板級的系統(tǒng)集成。盡管這種方案有單片機(jī)軟件的支持較為靈活，但是由于受硬件資源的限制，未來對設(shè)計(jì)的變更和升級，總是難以避免要付出較多研發(fā)經(jīng)費(fèi)和較長投放市場周期的代價(jià)。隨著電子設(shè)計(jì)自動化(EDA）技術(shù)的進(jìn)展，基于可編程ASIC器件的數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整方案越來越受到人們的重視，并且以EDA技術(shù)為核心、的能在可編程ASIC器件上進(jìn)行系統(tǒng)芯片集成的新設(shè)計(jì)方法，也正在快速地取代基于PCB板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。如何使用EDA工具設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)是人們普遍關(guān)心的問題。在EDA工具軟件QuartusII的支持下，本設(shè)計(jì)通過了編譯、適配和軟件仿真驗(yàn)證。最后載入硬件系統(tǒng)證明了它的正確性。 設(shè)計(jì)的主要工作 本設(shè)計(jì)需要利用EDA工具軟件QuartusII編寫并調(diào)試系統(tǒng)的VHDL程序。并且每一個(gè)模塊都在這個(gè)軟件下進(jìn)行了仿真。系統(tǒng)的VHDL程序編好過后先在實(shí)驗(yàn)室的EDA實(shí)驗(yàn)箱上下載調(diào)試，成功過后再根據(jù)電路焊接相應(yīng)的電路板。最好將程序下載到制好的電路上驗(yàn)證。第2章 設(shè)計(jì)方案本文系統(tǒng)的LED點(diǎn)陣模塊，共由1632=512個(gè)LED發(fā)光二極管組成。如何在該點(diǎn)陣模塊上顯示漢字是本文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用一種32路動態(tài)分時(shí)掃描技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。具體方法是，將8個(gè)88數(shù)組的顯示模塊組合成兩個(gè)16行16列的掃描結(jié)構(gòu)并將其串聯(lián)（）。其行輸入端與FPGA內(nèi)的只讀存儲器ROM的16位數(shù)據(jù)輸出端口相連；32個(gè)列控制端與兩個(gè)416譯碼器A、B的輸出相連；而譯碼器A、B的輸入端和片選信號又與FPGA內(nèi)的列掃描控制模塊的輸出端口scan4scan0相連。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖第3章 掃描控制模塊 LED點(diǎn)陣原理以下為88點(diǎn)陣LED外觀及引腳圖及其等效電路，只要其對應(yīng)的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)亮。例如如果想使左上角LED點(diǎn)亮，則Y0=1，X0=0即可。應(yīng)用時(shí)限流電阻可以放在X軸或Y軸。 88點(diǎn)陣LED外觀圖 88點(diǎn)陣LED等效圖點(diǎn)陣LED掃描法介紹點(diǎn)陣LED一般采用掃描式顯示，實(shí)際運(yùn)用分為三種方式： （1）點(diǎn)掃描（2）行掃描（3）列掃描若使用第一種方式，其掃描頻率必須大于1664=1024Hz，周期小于1ms即可。若使用第二和第三種方式，則頻率必須大于168=128Hz，即可符合視覺暫留要求。此外一次驅(qū)動一列或一行（8顆LED）時(shí)需外加驅(qū)動電路提高電流，否則LED亮度會不足。 漢字的存儲用動態(tài)分時(shí)掃描技術(shù)使LED點(diǎn)陣模塊顯示圖像，需要進(jìn)行兩步工作。第一步是獲得數(shù)據(jù)并保存，即在存貯器中建立漢字?jǐn)?shù)據(jù)庫。第二步是在掃描模塊的控制下，配合行掃描的次序正確地輸出這些數(shù)據(jù)。獲得圖像數(shù)據(jù)的步驟是，16共256個(gè)小方格的矩形框中，再在有筆劃下落處的小方格里填上“1”，無筆劃處填上“0”，這樣就形成了與這個(gè)漢字所對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)在該矩形框上的分布，再將此分布關(guān)系以3216的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成64個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并保存在只讀存貯器ROM中。以這種方式將若干個(gè)漢字的數(shù)據(jù)貯存在存貯器內(nèi)，就完成了圖像數(shù)據(jù)庫的建立工作。 1616LED點(diǎn)陣模塊然后，依次對多漢字抽取像素信息，并按序排隊(duì)存放起來，便可得到一個(gè)待顯示數(shù)據(jù)序列。將這個(gè)序列存到ROM中進(jìn)一步通過尋址的方法來控制該數(shù)據(jù)序列的釋放過程，就可實(shí)現(xiàn)在LED 發(fā)光二極管點(diǎn)陣上滾動顯示多漢字信息的目的。，某一時(shí)刻能在顯示數(shù)據(jù)序列中定位待顯示數(shù)據(jù)的地址指針可用下式計(jì)算： addr=n+m () 滾動顯示多漢字信息的原理示意圖 漢字的顯示第二步工作的步驟是：先在掃描模塊的控制下，由地址線確定每次由ROM送出某一列的16個(gè)LED所要顯示的漢字的控制字節(jié)數(shù)據(jù)，同時(shí)由掃描模塊輸出的5位掃描碼經(jīng)兩個(gè)416譯碼器解碼后決定相應(yīng)的某一列可以被點(diǎn)亮，而另外31列都不能被點(diǎn)亮。，就接著進(jìn)行下一行的掃描。當(dāng)完成了一次32行的掃描后，也就完成了一幀畫面的顯示。重復(fù)上述過程不斷修改ROM的地址區(qū)間的起始地址，轉(zhuǎn)向下一幅畫面的數(shù)據(jù)傳送和顯示。如此進(jìn)行，就可以在LED點(diǎn)陣模塊上滾動顯示ROM中存儲的漢字。關(guān)鍵部分VHDL程序： process(reset_n，clk_scan) 掃描信號的輸出 begin if(reset_n=39。039。)then t=31； elsif(rising_edge(clk_scan))then if(t=t39。high)then t=0； else t=t+1； end if； if(t =t39。high1)then flag_scan=39。139。； else flag_scan=39。039。； end if； end if； end process； process(reset_n，clk_scan，t) begin if(reset_n=39。039。)then scan=ZZZZZ； elsif(rising_edge(clk_scan))then case t is when 0 = scan = 00000； when 1 = scan = 00001； …… when 30 = scan = 11110； when 31 = scan = 11111； when others = scan = ZZZZZ； end case； end if； end process； process(reset_n，clk_scan，t，x)