【正文】 各模塊仿真正確之后，就可設(shè)計(jì)頂層設(shè)計(jì)，目的是讓設(shè)計(jì)的最終結(jié)果完全體現(xiàn)出來。我們首先應(yīng)該對(duì)程序進(jìn)行編譯，在編譯正確之后就可以對(duì)工程進(jìn)行仿真了。系統(tǒng)時(shí)序?yàn)椋瑑蓚€(gè)RDCLOCK脈沖，顯示一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，前一個(gè)脈沖讀入數(shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)模塊，下一個(gè)將數(shù)據(jù)移位輸出，等到移出8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生鎖存信號(hào)?？梢钥闯鯡P1C6時(shí)鐘頻率滿足要求。這樣送完32行數(shù)據(jù)以后，還要執(zhí)行循環(huán)100次，加起來一共409600Tmin，而每一屏的刷新頻率最好是50HZ，這樣就可以滿足人眼的視覺暫留。記FPGA的最小操作周期為Tmin（即CLK的時(shí)鐘周期），按照以上的程序送數(shù)據(jù)，先給第一行送數(shù)據(jù)，一共128列，即128個(gè)CLK脈沖就送完了，同時(shí)每輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要16個(gè)CLK脈沖，所以將CLK16分頻后接RCLOCK。圖413 驅(qū)動(dòng)電路波形圖414 驅(qū)動(dòng)電路波形圖415 驅(qū)動(dòng)電路波形 FPGA的分頻器設(shè)計(jì)圖416 32分頻器仿真波形32分頻器設(shè)計(jì)在附錄Ⅲ中給出，16分頻器與其設(shè)計(jì)相似，這里不再給出。圖415，由波形可見，當(dāng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)時(shí)，打開行掃描信號(hào)并且順序的掃描，行掃描輸出是正確的。圖413，由波形可見當(dāng)LOAD為高電平時(shí)串行右移數(shù)據(jù)，隨著CLK輸入16個(gè)時(shí)鐘脈沖，DATEOUT的輸出正好是輸入的數(shù)據(jù)，證明數(shù)據(jù)輸出正確。仿真波形如圖413，414，415。其仿真波形如圖412：圖412 雙口RAM的仿真波形仿真時(shí)對(duì)有關(guān)單片機(jī)寫信號(hào)都設(shè)置為無效，使輸出數(shù)據(jù)只隨著輸入讀地址與讀時(shí)鐘控制，設(shè)置讀地址為在000000000與000000001間連續(xù)變化，可以看出其讀出數(shù)據(jù)與上面RAM單元對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)是一致的，RAM塊的功能完全符合原設(shè)計(jì)要求。如圖411所示：圖411 創(chuàng)建成功至此一個(gè)RAM已經(jīng)被“打包”了，在下面的設(shè)計(jì)中就可以把它當(dāng)作一個(gè)雙口RAM器件進(jìn)行使用。對(duì)功能塊進(jìn)行設(shè)置，其存儲(chǔ)名為RAM如圖48所示：圖48 設(shè)置功能塊并且對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)和位寬設(shè)置以及各引腳設(shè)計(jì)如圖49：圖49 數(shù)據(jù)和位寬設(shè)置在這里調(diào)調(diào)用宏模塊LPM—RAM。（b）利用所特有的調(diào)用宏模塊的功能，結(jié)合原理圖輸入方法，創(chuàng)建一個(gè)新的圖形文件，在圖形文件的窗口下，生成一個(gè)新的工程，輸出名稱為RAMRAM，并且進(jìn)行字節(jié)長(zhǎng)度設(shè)置為512x16位，與上面的RAM相適配。圖47 該RAM存儲(chǔ)文件設(shè)計(jì)完畢后，將來就可以在設(shè)計(jì)RAM塊的時(shí)候加載到它的存儲(chǔ)單元中了。采用51216位RAM實(shí)現(xiàn)，9位地址輸入（512個(gè)存儲(chǔ)字；16位數(shù)據(jù)輸出）其設(shè)置過程為，首先在Q2中打開ROM數(shù)據(jù)文件編輯窗口，既選擇FILE→NEW命令，再選擇OTHERS FILES選項(xiàng)，再選擇MEMORY INTIALIZATION FILE選項(xiàng)，單擊OK后產(chǎn)生ROM數(shù)據(jù)文件大小選擇窗口。圖46 雙口RAM其中wren是單片機(jī)往FPGA中寫入數(shù)據(jù)的寫使能信號(hào)，wraddress[8．．0]是寫的地址信號(hào)，wrclock是寫時(shí)鐘，data[15．．0]是寫的數(shù)據(jù)，rdaddress[8．．0]是讀的地址信號(hào)，rdclock是讀數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，q[15．．0]是讀出的數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的RAM可容納兩屏的數(shù)據(jù)。cycloneEP1C6提供了20個(gè)具有異步、雙端口、帶寄存器輸入口、可選擇的帶寄存器輸出口的存儲(chǔ)模塊一M4K模塊，每個(gè)M4K模塊的存儲(chǔ)容量為4KBIT。由以上可知FPGA只是完成數(shù)據(jù)顯示，MCU完成數(shù)據(jù)寫入。工作時(shí)，F(xiàn)PGA在一個(gè)特定的時(shí)間只從雙口RAM的其中一區(qū)取出顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，而同時(shí)另外一區(qū)RAM與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，MCU會(huì)寫人新的數(shù)據(jù)，以便FPGA在下一個(gè)時(shí)間段顯示這區(qū)RAM的數(shù)據(jù)，以此交替的工作。如本例模塊，將作為列驅(qū)動(dòng)的16片74HC595的所有數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)都與FPGA驅(qū)動(dòng)芯片的鎖存信號(hào)DLOCK相連。這個(gè)時(shí)候，再用FPGA的驅(qū)動(dòng)芯片輸出QROWDATEOUT選中其中的某一行信號(hào)，就可以在這個(gè)3228的點(diǎn)陣列上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)（ST）有效時(shí)，芯片內(nèi)部的的移位寄存器就將8位數(shù)據(jù)鎖存到8個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。74HC595是移位鎖存芯片，其內(nèi)部有一個(gè)移位寄存器，還有一個(gè)數(shù)據(jù)移入引腳(DS)、一個(gè)數(shù)據(jù)移出引腳(Q8)、8個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳(Q1～Q8)，另外還有脈沖信號(hào)(CIK)和數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)(ST)。驅(qū)動(dòng)模塊的行輸出數(shù)據(jù)分別與顯示屏的行驅(qū)動(dòng)電路連接。行驅(qū)動(dòng)器每行的行線連接到PNP三級(jí)管的集電極，間接連接到電源上。點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)電路分為行驅(qū)動(dòng)和列驅(qū)動(dòng)，列驅(qū)動(dòng)采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，易于模塊化。 外圍電路連接 由于大屏幕是單色點(diǎn)陣，主要用來顯示文字信息，所以要求亮度高且均衡。（d）分頻器的設(shè)計(jì)[13]是為了使全局只有一個(gè)外部時(shí)鐘，這樣簡(jiǎn)化了電路連接，節(jié)省了FPGA的外部管腳，節(jié)省了資源。該電路模塊產(chǎn)生讀地址，列數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，行掃描信號(hào)以及串行輸出信號(hào)。屏幕的顯示信息與相應(yīng)的地址是一一對(duì)應(yīng)的，對(duì)地址讀取順序的不同可產(chǎn)生不同的顯示效果?？梢钥吹疆?dāng)HL不改變時(shí)系統(tǒng)就可獨(dú)立于MCU，成為一個(gè)小型的顯示塊。并且可以根據(jù)具體的程序設(shè)定LED顯示屏的顯示模式，顯示內(nèi)容和其他的參數(shù)及系統(tǒng)設(shè)置。這樣就不會(huì)造成FPGA的停止掃描，保證了各行的點(diǎn)陣有相同的時(shí)間占空比，使屏幕點(diǎn)陣有同樣亮度。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了2個(gè)同樣大小的RAM 區(qū)：A區(qū)和B區(qū)，讓單片機(jī)交替進(jìn)行寫操作。由于數(shù)據(jù)顯示是一種動(dòng)態(tài)掃描方式，如果采用一個(gè)RAM區(qū)，當(dāng)單片機(jī)寫RAM時(shí)，F(xiàn)PGA只能處于等待狀態(tài)，這樣就會(huì)導(dǎo)致屏幕動(dòng)態(tài)掃描停止。由于系統(tǒng)軟件要進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)處理，所以擴(kuò)充了單片機(jī)緩存區(qū)大小，采用了8K字節(jié)的外部靜態(tài)RAM6264。由于PC機(jī)串行總線標(biāo)準(zhǔn)RS232的邏輯電平與單片機(jī)電路使用的TTL電平不同，所以PC機(jī)與MCU[11]之間的通信數(shù)據(jù)必須經(jīng)過RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(a)信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括三部分：上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制單元軟件設(shè)計(jì)、FPGA驅(qū)動(dòng)單元軟件設(shè)計(jì)?？梢钥闯龅谝环N方法適合大屏顯示，本設(shè)計(jì)是一個(gè)12832的室內(nèi)顯示屏，考慮到實(shí)驗(yàn)資源和成本問題，為完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，采用第二種設(shè)計(jì)方法。其中FPGA內(nèi)部雙口RAM的運(yùn)用，為不同總線間的數(shù)據(jù)通信提供了一個(gè)新的解決方案。第二種方法中高速的FPGA掃描模塊電路實(shí)現(xiàn)了由軟件實(shí)現(xiàn)的部分操作，使CPU的操作大大簡(jiǎn)化。這樣對(duì)于該時(shí)鐘而言，一個(gè)時(shí)鐘周期就能完成一個(gè)讀操作和一個(gè)寫操作。系統(tǒng)采用一個(gè)外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由于寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)的電路操作是同一塊存儲(chǔ)器，并且兩部分的操作要求互不干擾。圖43 系統(tǒng)原理框圖圖44 顯示屏系統(tǒng)組成框圖兩種方案的比較：第一種方法中采用單片機(jī)和FPGA的混合設(shè)計(jì)，單片機(jī)主要完成從上位機(jī)接收顯示數(shù)據(jù)。圖41 硬件關(guān)系圖42 FPGA內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)以及外部電路關(guān)系第二種設(shè)計(jì)方法也是以FPGA為核心的系統(tǒng)方案。第一種設(shè)計(jì)方法是采用外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫控制，該設(shè)計(jì)在一個(gè)時(shí)鐘周期就進(jìn)行了一次讀操作和一次寫操作，使系統(tǒng)讀寫互不影響。把原本由CPU軟件實(shí)現(xiàn)的操作用硬件完成。掃描顯示32行的所有信息后，要實(shí)現(xiàn)全屏字模的顯示，就要繼續(xù)再次掃描一定的次數(shù)，我們?cè)O(shè)定為100次，完了接著繼續(xù)掃描下一屏，重復(fù)以上的操作，最后實(shí)現(xiàn)整屏全部字模顯示的刷新。圖37 顯示系統(tǒng)程序流程圖對(duì)整個(gè)屏幕采用整體掃描的方法，一行數(shù)據(jù)為128位，這樣就需要每輸出8個(gè)數(shù)據(jù)單元時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，然后打開行掃描，使其中一行點(diǎn)亮，這里要注意顯示數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)行的選通，只有這樣才能得到信息的正確顯示。FPGA掃描每一行，同時(shí)將下一行的數(shù)據(jù)送過去，在掃描完32行的時(shí)候要進(jìn)行循環(huán)掃描，以便于人眼能夠看到字形 。圖36 MN行LED點(diǎn)陣圖由于驅(qū)動(dòng)及控制電路的速度是很快的，而且LED發(fā)光二極管也具有很高的響應(yīng)速度，LED的顯示就在人眼中造成視覺暫留現(xiàn)象，人看起來就好像是整個(gè)屏在顯示一副完整的畫面，而不是一行一行的小點(diǎn)在閃爍。當(dāng)行驅(qū)動(dòng)器選中第i行，列驅(qū)動(dòng)器選中第j列時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED器件根據(jù)列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)要求進(jìn)行顯示，這樣控制電路有序地選通各行，在選通每一行之前還要把該行的列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。一塊由M行N列組成的MN圖文顯示屏，其LED發(fā)光管的數(shù)量非常大，不宜使用靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路。謝 CD0BBDB 001H,008H,042H,008H,037H,088H,024H,088HDB 007H,0FEH,004H,088H,0E7H,0C8H,024H,0A8HDB 02FH,0A8H,021H,088H,022H,088H,02AH,088HDB 034H,088H,028H,088H,012H,0A8H,001H,010H本文件為1616點(diǎn)陣中文字庫(kù)文件,字的橫向8點(diǎn)構(gòu)成一字節(jié),左邊點(diǎn)在字節(jié)的高位,字符點(diǎn)陣四角按左上角→右上角→左下角→右下角取字。p2p2p2p25點(diǎn)亮，為二進(jìn)制00111100b，即16進(jìn)制3CH。從上圖可以看到，這一行全滅，即為00000000B，16進(jìn)制則為00H。我們?nèi)栽O(shè)計(jì)成由右往左掃描。左半部的第二行，也為00100010B，即16進(jìn)制22H。方向?yàn)閜00到p07，顯示漢字“湖”時(shí)，p00到p07點(diǎn)亮，由右往左排列，二進(jìn)制為01000010B，轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制為42H。一個(gè)字需要拆分為2個(gè)部分，一般我們把它拆分為左部和右部，左部由86點(diǎn)陣組成，右部也由86點(diǎn)陣組成，如圖35所示。每一個(gè)字由16行16列的點(diǎn)陣組成顯示。因而這個(gè)漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素范圍內(nèi)的任何圖形字符。即國(guó)標(biāo)漢字庫(kù)中的每一個(gè)字均由256點(diǎn)陣來表示。我們以中文宋體字庫(kù)為例。當(dāng)然，根據(jù)控制電路的安排，相反的定義同樣是可行的。通常是先把需要顯示的圖形文字轉(zhuǎn)換成點(diǎn)陣圖形，再按照顯示控制的要求以一定的格式形成顯示數(shù)據(jù)。由于在實(shí)際的操作中，具體的LED點(diǎn)陣顯示模塊的引腳并不是有規(guī)則地排列，而是根據(jù)內(nèi)部連線，及相應(yīng)的外部因素而排列，實(shí)際的顯示模塊的引腳排列參照具體的實(shí)物。LED點(diǎn)陣顯示模塊的內(nèi)部連線如32圖所示：圖32 LED點(diǎn)陣顯示模塊內(nèi)部連線圖如圖所示，每一列的8個(gè)LED發(fā)光二極管的陽(yáng)極接在一起，每一行的8個(gè)LED發(fā)光二極管的陰極接在一起，這樣就可以由行和列的選擇線控制每一個(gè)LED發(fā)光管的發(fā)光。（ｇ）可視角度大：室內(nèi)顯示屏可達(dá)160度，戶外的可達(dá)120度（ｈ）功耗低：每平方米最大功耗不超過800W3 LED電路顯示原理 LED點(diǎn)陣顯示結(jié)構(gòu)LED點(diǎn)陣顯示模塊是LED顯示屏的基本組成單元，下面對(duì)LED點(diǎn)陣顯示模塊進(jìn)行具體的分析。LED顯示屏具有其他顯示屏所無法比擬的技術(shù)優(yōu)越性：（ａ）使用壽命長(zhǎng)：發(fā)光二極管的使用壽命在10萬小時(shí)以上（ｂ）響應(yīng)速度快：這是半導(dǎo)體器件共有的特點(diǎn)（ｃ）可視距離遠(yuǎn)：LED的單點(diǎn)直徑可達(dá)52mm，可視距離500米以上 （ｄ）規(guī)格品種多：LED顯示屏有室內(nèi)的、戶外的，有單色的、雙色、全彩色（ｅ）數(shù)字化程度高：全數(shù)字化，可實(shí)現(xiàn)高分辨率圖形方式（ｆ）亮度高：可用于戶外，如交通燈、防霧燈等。因此，LED顯示屏的優(yōu)點(diǎn)有：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、耐沖擊、性能穩(wěn)定。一般來說，不同CCFL的額定使用壽命(半亮)在8000～100000小時(shí)之間，而LED背光源則可以達(dá)到CCFL的兩倍左右。另外，雖然CCFL的發(fā)光效率并不比LED遜色，但是由于CCFL是散射光，在發(fā)光過程中浪費(fèi)了大量的光，這樣一來，反而顯得LED光的效率更高。在環(huán)保之外，LED背光源還非常節(jié)電，其功耗要比CCFL冷陰極背光燈更低一些。 LED顯示屏的種類及特性LED顯示屏的常見有分類一下幾種方法：（a）按顯示顏色可分為：?jiǎn)位t色或綠色）雙基色（紅色、綠色）三基色（紅色、綠色、藍(lán)色）（b）按顯示性能可分為：圖文屏同步屏行情顯示屏(包括證券屏、利率匯率屏、工廠看板、安全牌等)（c）按使用環(huán)境可分為:室內(nèi)屏室外屏半戶外屏LED顯示屏的特性：LED發(fā)光二極管有很多優(yōu)勢(shì)，除了可以解決廣色域問題之外，相對(duì)于CCFL冷陰極背光燈而言，LED發(fā)光二極管還擁有更多的優(yōu)勢(shì)。框架結(jié)構(gòu)：指支撐整個(gè)系統(tǒng)的基板或框架。LED顯示屏：指由發(fā)光二極管組成的顯示點(diǎn)陣。所以在大屏的設(shè)計(jì)中將是一個(gè)明顯的趨勢(shì)。（4）高性能、嵌入式現(xiàn)在市場(chǎng)上的多種LED顯示屏在顯示性能上良莠不齊，并且大多需要上位機(jī)對(duì)顯示過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。面向信息服務(wù)領(lǐng)域的LED顯示屏產(chǎn)品的門類和品種體系將更加豐富。（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化信息化社會(huì)的形成，LED顯示屏的應(yīng)用前景更為廣闊。（2）標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化材料、技術(shù)的成熟及市場(chǎng)價(jià)格的基本均衡之后，LED顯示屏的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化將成為L(zhǎng)ED顯示屏發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。LED產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡達(dá)到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求。（1）高亮度、全彩化藍(lán)色及純綠色LED產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟性行業(yè)化條件。 LED顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代信息社會(huì)中，視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術(shù)得到迅速發(fā)展。隨著產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系的形成和系列標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，LED顯示屏產(chǎn)業(yè)在向健康有序的方向發(fā)展。1996年原電子部委托藍(lán)通公司制定《LED顯示屏通用規(guī)范》，1998年1月正式作為電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施，使LED顯示屏產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作開始走向規(guī)范。LED顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國(guó)內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。90年代初即具備了成熟的16級(jí)灰度256色視頻控制技術(shù)及無線遙控等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，近年在全彩色LED顯示屏、256級(jí)灰度視頻控制技術(shù)、多級(jí)群控技術(shù)等方面均有國(guó)內(nèi)先進(jìn)、達(dá)到國(guó)際水平的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)；LED顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國(guó)內(nèi)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并得到應(yīng)用。因此我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的整體實(shí)力雄厚，有望成為電子基礎(chǔ)產(chǎn)品重要支柱產(chǎn)業(yè)。五年來，每年平均增長(zhǎng)達(dá)20%