【正文】 /日歷和31 字節(jié)靜態(tài) RAM。 最后，考慮功耗，兩種方案使用的是 s芯片功耗已經(jīng)非常 小。 其次，考慮制作成本，一片 74HC154大約四元，而 74HC595和 74HC164只需 。最終只需要制作兩塊同樣的板子拼湊成 32*16LED 點(diǎn)陣。 方案二： 使用兩個(gè)移位寄存器 74HC595（帶存儲(chǔ)器 ） 和兩個(gè)移位寄存器 74HC164 驅(qū)動(dòng) 16*16 的點(diǎn)陣， 74HC595 負(fù)責(zé)列掃 描數(shù)據(jù)， 74HC164 負(fù)責(zé)行掃描數(shù)據(jù)。 LED 點(diǎn)陣屏及驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)采用 32 16LED點(diǎn)陣屏由 8塊 8 8LED點(diǎn)陣拼接而成，每一塊點(diǎn)陣都有 8行 8 列，因此總共有 16根行控制線和 32根列控制線。上位機(jī)使用字模提取工具將待顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī) , JTAG下載線實(shí)現(xiàn) PC和 NiosⅡ系統(tǒng)間的通信。 串行通信模塊 輸入接口模塊提供 PC上位機(jī)到 FPGA核心板傳輸數(shù)據(jù)的接口。本設(shè)計(jì)采用較為普遍的 Altera 公司的 EP2C8Q208C 芯片。上電時(shí)， FPGA 將外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi) RAM，完成配置后，進(jìn)入工作狀態(tài)；掉電后恢復(fù)為白片，內(nèi)部邏輯消失。同時(shí)， Altera 公司給學(xué)習(xí)者提供很好的服務(wù)和支持。其中Xilinx、 Altera 規(guī)模最大，市場占有率也最高。軟件部分根據(jù)各芯片的時(shí)序圖進(jìn)行模塊編程，消除了競爭和冒險(xiǎn)。 工作原理 本設(shè)計(jì)的工作原理為：采用 FPGA 為核心控制模塊，通過接收上位機(jī)數(shù)據(jù)控制 LED點(diǎn)陣顯示信息。串口通信部分 通過 RS232 串口實(shí)現(xiàn)。行掃描采用三極管放大電流，加大掃描強(qiáng)度，提高點(diǎn)陣屏亮度。 點(diǎn)陣顯示模塊實(shí)現(xiàn) LED 點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)和顯示功能?；?FPGA 的 LED 點(diǎn)陣顯示屏的系統(tǒng) 框圖如圖 21 所示： 圖 系統(tǒng)總體框 圖 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 FPGA 控制模塊 控制 時(shí)鐘模塊、點(diǎn)陣顯示模塊、上位機(jī)通信模塊 的協(xié)同工作，并分析、 處理 接收 的數(shù)據(jù)。具體內(nèi)容： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； ； ； 4. FPGA 系統(tǒng)與 PC 機(jī)通訊接口 (RS232)的設(shè)計(jì)。而對(duì)于 PLD/FPGA 設(shè)計(jì)者而言，兩種語言沒有太大差別。 目前，美國和中國臺(tái)灣地區(qū)邏輯電路設(shè)計(jì)和制造廠家大都以 Verilog HDL 為主，中國大陸地區(qū)目前學(xué)習(xí)使用 Verilog HDL 已經(jīng)超過 VHDL。針對(duì) LED 背光源的特點(diǎn)，可以將復(fù)雜的控制技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)融合到背光源技術(shù)中，目前的做法是采用 FPGA，各家均有不同的算法和控制方法。 基于 FPGA 芯片控制全彩 LED 大屏幕圖像顯示系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)字顯示屏也隨即涌現(xiàn)出來有 LED、 LCD、 DLP 等，各種數(shù)字大屏幕的控制系統(tǒng)多種多樣，有用 ARM+FPGA 脫機(jī)控制系統(tǒng)，也有用 PC+DVI 接口解碼芯片 +FPGA 芯片聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng) 。以上兩種應(yīng)用需要為 LED 提供電能及熱能保護(hù)，以增加其耐用性。預(yù)估在歐美優(yōu)先領(lǐng)起的趨勢中， 20xx 年全球可達(dá)到 450 萬盞 LED 街燈的水平，并且承于國際加緊節(jié)能減碳的腳南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 步，一但路 燈標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格普及，中國市場可望占有世界 50%以上的規(guī)模。以應(yīng)用產(chǎn)品來討論，戶外照明約占 12%，則具有相當(dāng)大的成長空間，尤其以占有全球 38%戶外照明的中國市場為最。 據(jù)悉， 20xx 年全球照明市場約 1219 億美元， LED 僅占 %,顯見其未來潛力之可觀。 研究現(xiàn)狀 LED 照明發(fā)展非常迅速，年增長率超過 60%,隨著 LED 發(fā)光效率的不斷提升，封裝技術(shù)不斷改進(jìn)，驅(qū)動(dòng)陸能和壽命的增加， LED 照明技術(shù)在未來 5 年內(nèi)會(huì)逐漸進(jìn)入千家萬戶。一方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的提高，器件的性能大有很大的提高，出現(xiàn)了高性能的現(xiàn)場可編程邏輯器件（ FPGA）， FPGA具有處理速度高、可靠性高、高容量和集成度高等特點(diǎn)，在大屏幕顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用 FPGA可以滿足現(xiàn)在的 LED大屏幕系統(tǒng)對(duì)于處理視頻數(shù)據(jù)的高速要求，同時(shí)改善電 路的性能，縮小系統(tǒng)的體積。因此對(duì)大屏幕全彩 LED顯示掃 描控制方法的研究有著重要的意義。壽命、單位面積亮度、三基色的偏差程度、點(diǎn)距、對(duì)比度、灰度等級(jí) (包括灰度級(jí)數(shù)和線性度 )、掃描頻率等指標(biāo)性能是衡量或橫向比較大型顯示設(shè)備好壞的標(biāo)準(zhǔn)。南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 緒 論 研究意義 作為大型平板顯示設(shè)備的一種， LED顯示屏以其使用壽命長、維護(hù)費(fèi)用低、功耗低等特點(diǎn)在顯示領(lǐng)域占有重要的位置。特別在近年 ,帶有紅、綠、藍(lán)三基色以及灰度顯示效果的全彩 LED顯示屏，以其豐富多彩的顯示效果而倍受業(yè)界關(guān)注，成為 LED顯示屏市場近年增長幅度比較大的產(chǎn)品。而這些指標(biāo)性能的優(yōu)劣 ,很大程度上決定于掃描控制器的性能。 隨著顯示屏尺寸的擴(kuò)大、亮度要求的增加 ,數(shù)據(jù)傳輸和控制的時(shí)間也會(huì)增加，如果仍然采用單片機(jī)作為控制器，將會(huì)影響顯示效果，嚴(yán)重時(shí)可能無法正常工作，然而，這時(shí)若采用可編程邏輯器件作為控制器，則可解決這一難題。設(shè)計(jì)中使用硬件描述語言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可以隨時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行修改，而不必對(duì)硬件進(jìn)行修改，它使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試非常方便，大大的縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，也方便以后的系統(tǒng)升級(jí)。在世界各國環(huán)保議題日漸重視的趨勢下， LED 照明產(chǎn)業(yè)將扮演極重要的角色，其主要應(yīng)用在于室內(nèi)、室外照明以及街燈等高功率產(chǎn)品。其中，以亞太地區(qū)的市場規(guī)模為最大、約占全球 %之比例，居次為北美的 %和歐洲之 %。此外，值得關(guān)注的部分是受政府政策及推廣影響較為直接且快速的街燈應(yīng)用可望成為照明產(chǎn)業(yè)中快速成長的第一棒。 LED 驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，離線式高功率因數(shù)校正可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器可替代鹵素?zé)簟谉霟艉蜔晒鉄?；第二?LED 驅(qū)動(dòng)器能高效替代低壓鹵素?zé)?。其他發(fā)展趨勢還包括優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器以提供最佳功效，并非將電流最大化。 盡管大尺寸液晶顯示在未來的幾年還有相當(dāng)大的市場份額，但針對(duì)大尺寸直下式背光源的驅(qū)動(dòng)和控制芯片的開發(fā)才剛剛有幾年的歷史。隨著背光技術(shù)和數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，背光的控制算法及驅(qū)動(dòng)方法的規(guī)范化，為了降低成本，將背光控制單元、屏顯控制和電視的機(jī)芯微處理器由一個(gè)微處理器統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)將是一種技術(shù)趨勢 [13][14]。從使用的角度看，對(duì)于集成電路（ ASIC）設(shè)計(jì)人員來說，多是掌握 verilog，因?yàn)樵?IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域， 90％以上的公司都是采用 verilog 進(jìn)行 IC 設(shè)計(jì)。 研究內(nèi)容 本課題為基于 Altera 公司 FPGA 芯片的電子顯示屏的研究，配備相應(yīng)的 PC 機(jī)軟件， 可 實(shí)現(xiàn) 合攏、開簾 、上下左右移動(dòng)等顯示 形式 ，并可顯示 時(shí)鐘。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 第二章 系統(tǒng)組成及工作原理 系統(tǒng)組成 本設(shè)計(jì)要求使用 Altera公司的 FPGA芯片完成 32*16點(diǎn)陣式 LED點(diǎn)陣顯示屏的顯示，配備相應(yīng)的 PC 機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，下位機(jī)實(shí)現(xiàn) 合攏、開簾 、上下左右移動(dòng)等顯示 形式 ，并可顯示時(shí)鐘。 時(shí)鐘模塊完成對(duì)時(shí)鐘芯片的讀寫，包括時(shí)鐘初始化和時(shí)鐘信息讀取，最終用數(shù)碼管顯示時(shí)鐘。驅(qū)動(dòng)部分使用移位寄存器74HC595 和移位寄存器 74HC164 組成， 74HC595 負(fù)責(zé)列掃描數(shù)據(jù)， 74HC164 負(fù)責(zé)行掃描數(shù)據(jù)。 LED 點(diǎn)陣是由 8個(gè)大小為 32mm*32mm 的 8*8 共 陽點(diǎn)陣組成 32*16 點(diǎn)陣，可以顯示兩個(gè)漢字，點(diǎn)陣屏可拆裝，采用圓孔銅排針，連接性能非常好。 用戶可以通過上位機(jī)軟件發(fā)送待顯示的數(shù)據(jù)給 FPGA 控制系統(tǒng)。同時(shí)通過鍵盤來控制顯示方式，并且在數(shù)碼管上顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 上位機(jī) FPGA 控制系統(tǒng) 點(diǎn)陣顯示模塊 串口通信 時(shí)鐘模塊 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 第三章 基于 FPGA的 LED點(diǎn)陣硬件設(shè)計(jì) 方案論證與比較 FPGA 芯片選擇 當(dāng) 今主要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家有 Xilinx、 Altera、 Lattice、 Atmel 等公司。其中 Altera 更適合教學(xué)使用，對(duì)于初學(xué)者來說入門門檻比較低。工藝方面， Xilinx 和 Altera 生產(chǎn)的 FPGA 都是基于 SRAM 的工藝的，需要在使用時(shí)外接一個(gè)片外存儲(chǔ)以保存程序。這樣不僅能反復(fù)使用，還無需專門 的 FPGA 編程器，只需通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。這塊芯片不僅內(nèi)部資源豐富，而且支持 NIOS，無論在性價(jià)比還是將來進(jìn)行功能拓展上都占據(jù)優(yōu)勢。輸入接口是通過串口即 RS232以及 JTAG下載線來實(shí)現(xiàn)從 PC上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)至下位機(jī)。 FPGA核心板與 LED顯示模 塊之間的通信也是通過 RS232串口實(shí)現(xiàn)的。 方案一：在 LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路中，采用 1片 4線 /16線譯碼器 74HC154作為行驅(qū)動(dòng)，選用 2片 74HC154占用 15個(gè) FPGA的 I/O口（包括兩個(gè) enable端）。行掃描采用三極管放大電流，加大掃描強(qiáng)度，提高點(diǎn)陣屏亮度。 方案比較及確定： 首先，考慮占用 I/O口數(shù)量，方案一使用了 15個(gè) I/O口，而方案二只使用了 5個(gè)。 再次，考慮軟件編程，采用譯碼方式（方案一）驅(qū)動(dòng)可以簡化代碼，而采用移位南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 方式（方案二）驅(qū)動(dòng)可拓展性更強(qiáng)。 綜合以上分析，本設(shè)計(jì)采用方案二，不僅大大的減少了 I/O資源的占用 ,而且縮減了制作成本。 同時(shí)，可以 提供秒分時(shí) 、 日期 、年月 信息 ， 每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整 。 FPGA控制模塊 該部分電路是系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的核心，主要由電源接口及開關(guān)及相應(yīng)的時(shí)鐘振蕩電路和復(fù)位電路組成。 復(fù)位電路 如圖 32 所示，該復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的初始化作用。按下鍵時(shí)， KEY 拉低。 圖 31 電源接口及開關(guān)電路 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 時(shí)鐘振蕩電路 如圖 33所示， X1 為 20MHz 的有源晶振。 RS232 串口用于上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸， JTAG 接口用于程序下載與調(diào)試。 RS232 串口電路如圖 34所示： 圖 32 復(fù)位電路 圖 33 時(shí)鐘振蕩電路 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 34中， RS232 串口電路使用 MAX232CPE 作為電平轉(zhuǎn)換芯片，通過串口線連接到計(jì)算機(jī)的 COM 口 (9 針 D 形口 )，用于 FPGA 與上位機(jī)通信以及和其他串口設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。 JTAG 下載不僅下載速度快，而且支持 SignalTAP，但是，不能編程 EPCS 芯片，掉電后數(shù)據(jù)丟失。 圖 34 RS232 串口電路 圖 35 JTAG 下載接口電路 圖 35 JTAG 下載接口電路 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 LED點(diǎn)陣及驅(qū)動(dòng)電路 LED 點(diǎn)陣 點(diǎn)陣屏分為共陽和共陰兩種，本設(shè)計(jì)使用共陽型，如下圖 36 所示。使用 4塊 8*8LED 點(diǎn)陣屏就可以組成 16*16 的點(diǎn)陣屏，可以顯示一個(gè)漢字。列掃描采用三極管放大電流，加大掃描強(qiáng)度，提高點(diǎn)陣屏亮度。 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。數(shù)據(jù)在 SRCLK 的上升沿移位，在 RCLK 的上升沿進(jìn)入存儲(chǔ)寄存器；異步復(fù)位端 /SRCLK，低電平有效，電路中不使用復(fù)位端所以將此腳接 VCC。移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入（ SER），和一個(gè)串行輸出（ QH’），電路將其接入下一個(gè) IC 的輸入（ SER）組成 16 位移位存儲(chǔ)。 （ 2） 74HC164 ： 74HC164 是簡單的 8 位移位寄存器。 A、 B 是兩個(gè)輸入端，電路將其合并成一個(gè)輸入，移位寄存器的最后一位輸出 QH 接入下一個(gè) 74HC164 的輸入 AB，組成 16 位移位寄存器，每一位的輸出經(jīng)過三極管放大電流加到點(diǎn)陣共陽端，即作為點(diǎn)陣的行控制。此時(shí) I/O 口只需要提供幾毫安的灌電流即可控制其通斷。 時(shí)鐘芯片電路 DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小 于 31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。 DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。當(dāng) Vcc2Vcc1+ 時(shí)，由 Vcc2向 DS1302 供電，當(dāng) Vcc2 Vcc1 時(shí)，由 Vcc1 向 DS1302 供電。該引腳有兩個(gè)功能：第一， CE 開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次， CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā? 圖 310 DS1302 的外部引 腳分配 圖 311 DS1302 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11