【正文】 專 業(yè)： 電子信息工程 學生姓名： 學 號： 0952100113 指導教師： 職 稱： 講師 題目類型： ?理論研究 ?實驗研究 ?工程設計 ?工程技術研究 ?軟件開發(fā) ?應用研究 2020 年 6 月 1 日 摘 要 LED 顯示屏工藝發(fā)展很快，使得 LED 顯示屏有很多優(yōu)異特性。由于其優(yōu)異的特性，在生活應用很廣泛。 LED 發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)從最初的單色屏發(fā)展到現(xiàn)在的全彩顯示屏，而且隨著 LED 工藝制作技術發(fā)展，從以前的單個 LED 燈到現(xiàn)在的大屏的 LED 顯示屏，從最早的無灰階單色屏靜態(tài)驅動，到現(xiàn)在彩色顯示屏動態(tài)驅動，所以對驅動控制電路有了更高的要求。設計采用的 FPGA 芯片是目前較為流行的 Altera FPGA 系列為 EP2C5T144C8N 芯片。本課題設計的是基于 FPGA的 LED 顯示屏控制器設計，需要選用什么樣的軟件開發(fā)工具，設計 LED 顯示屏的掃描控制程序。結合 Verilog 語言設計的特點和編寫程序的規(guī)則再結合硬件電路編寫對 LED 顯示屏的掃描控制部分。 結合 FPGA 開發(fā)板、硬件電路和軟件工程設計，最終實現(xiàn)了對 LED 顯 示屏的控制系統(tǒng)的設計。 Double color LED display。隨著現(xiàn)代的進步 ， 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步。 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?，在實際應用和顯示的效果都很好。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。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 技術的不成熟所導致的，所以國外對 LED顯示屏技術還處在發(fā)展段。這是因為 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。如電子顯示屏門牌，墻式電視機等。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。彩色點陣屏制作工藝發(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。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。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。 根據(jù)對 LED 點陣屏發(fā)光的特性和內(nèi)部結構的組成分析。結合芯片的工作原理從而設計一款 LED 顯示屏的驅動控制電路。由于本課題設計 使用動態(tài)和靜態(tài)的掃描技術。靜態(tài)掃描技術以靜態(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。 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計 (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、軟件設計模塊論證。本節(jié)分析對 LED 顯示屏的基本結構和工作流程。首先，對整體設計進行分析；其次對對硬件驅動設計進行理論分析；最后，對軟件驅動設計進行理論的分析。 根據(jù) LED顯示屏的特性，并且經(jīng)過實際的驗證來了解 LED顯示屏的特性，結合 LED顯示屏其特性和經(jīng)過測試的 LED 顯示屏內(nèi)部結構選定需要用什么樣的驅動控 制芯片，設計一款該 LED 顯示屏的驅動控制電路，并且使用 protel 99 畫圖軟件設計出 LED 顯示屏的驅動控制電路原理圖，制作一塊 LED 顯示屏的驅動控制系統(tǒng)硬件。例如，邏輯單元數(shù)、存儲單元數(shù)等等。在對軟件設計時需要了解開發(fā)板的相關知識并且確定選用什么樣的軟件開發(fā)工具，設計軟件掃描控制部分。最后，結合 Verilog 語言設計的特點再結合設計的硬件電路的特點在 Quartus Ⅱ 開發(fā) 軟件上編寫 Verilog HDL程序 對LED 顯示屏的軟件設計，設計 LED 顯示屏的掃描控制部分。 圖 為 彩色點陣控制器 基本結構框圖。本課題設計使用的是雙基色 LED 顯示屏，需要對 LED 顯示屏的行和列進行驅動，而且要選擇使用什么樣的驅動控制方案非常重要。把將要顯示的數(shù)據(jù)通過串行的傳輸方式發(fā)送入驅動芯片寄存器中寄存，通過程序對芯片的使能信號端控制，控制數(shù)據(jù)的顯示。這樣給電路板的設計帶來了很大的方便，同時給調試電路板電路的時候減少了工作量。但由于這些芯片在工作時的驅動能力很差，一般都用于對 LED 顯示屏列的驅動。對于行驅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，但是其驅動能力就很弱，由于對 LED 顯示屏驅動能力要大，可以在驅動芯片和 LED 顯示屏之間加上三極管或者 CMOS 管來增強其驅動能力。 并行控制驅動方式的特點是數(shù)據(jù)刷新顯示屏的頻率快，這樣就降低對驅動電路的要求了。可以采用 74HC373 級聯(lián)的方式控制。 根據(jù)本課題設計所買的 LED 顯示屏是共陽的接法，并且考慮在制作電路板和調試帶來方便，本課題設計選用串入并出的控制方式設計控制系統(tǒng)。在制作 LED顯示屏的列驅動芯片一般都使用 74HC595 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。對于 LED 顯 示屏行的控制驅動芯片可以有很多選擇性 。對于共陽的 LED 顯示屏使用74HC138 芯片，結合用三極管設計的一個反相器電路，從而實現(xiàn)對 LED 點陣屏的行進行控制。 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計 (論文 )說明書 第 4 頁 共 41 頁 存 儲 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 軟件控制模塊設計論證 本課題設計使用的是 FPGA 開發(fā)板最小系統(tǒng)，所以使用了編程語言是 Verilog。 圖 軟件控制整體設計思路圖 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)的完美的結合才能顯示一個完整的漢字。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。在確定使用什么驅動方式后，結合 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。從硬件電路的總體設計到個個模塊的實現(xiàn)。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 腳復位端，因為低電平有效，不需要把數(shù)據(jù)清除，把復位端直接 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，因為使能控制信號是低電平有效，為了使電路設計和在編寫程序簡單，把 13 腳直接 GND； 14 腳串行數(shù)據(jù)輸出端作為芯片級聯(lián)端，實現(xiàn)更多數(shù)據(jù)的級聯(lián)。由于本次使用的點陣屏是雙基色的，所以要用 四個 74HC595 芯片通過級聯(lián)的方式控制十六列紅和十六列綠燈的亮滅，再用兩塊74HC138 芯片級聯(lián)的方式組合成 416 譯碼器對十六行進行控制。由于本課題設計使用的雙基色點陣屏是共陽的接法，所以對點陣屏行控制輸出的數(shù)據(jù)進行取反，經(jīng)過取反再輸出，輸出的數(shù)據(jù)就能對點陣屏依次進行某一行的控制。而四塊 74HC595 是通過 9 腳級聯(lián)十四腳實現(xiàn)了 32 位數(shù)據(jù)的輸入。 硬件電路制作過程 使用 protel 99 畫圖軟件畫硬件原理圖， protel 99 軟件是 ProklTechnology 公司開發(fā)的一款畫圖軟件 ， 它可以進行電路原理圖設計和單層或雙層印刷電路板設計 。 圖 為 硬件電路開發(fā)流程。打開 protel 99 軟件新建一個原理圖文件，根據(jù)課題設計要求設計的原理圖，在左側的元器件庫中找到相應的元器件圖，按照一定的順序排列。把每一個器件的封裝設定好后，更新 PCB，點擊設計標題欄下的子標題 ， 完成了電路圖 PCB 更新。設置 GND 和 VCC 線的線寬，再對其它線的線寬進行設置，并且要對焊孔和線的進行安全距離設置。設置好線寬后，再設置焊孔的大小，如果焊孔設置的太小，在打孔的時候會把銅邊打沒，焊接就非常困難。因為本課題設計的線路比較多，如果采用單面布局就有很多的跳線，所以選擇了制作雙面板布局的方式。把打印好的地層 PCB 圖轉印到銅板上，需要高溫 轉印機進行轉印。完成后，就固定 PCB 圖紙并把它放入高溫轉印機上轉印。腐蝕完后開始打孔，根據(jù)前面設置好的焊盤大小選用相應的打孔針打孔，在打孔時要注意對準焊盤的中心，不然會把焊盤打沒，這樣會給焊接帶來困難。如果一面有線連接另一面沒有線連接，就對有線連接的那一面進行打孔，這樣能為焊接帶來方便。打孔完后，再一次確定焊孔是否去不都打了沒，確定無誤后才可進行下一步驟。對照原理圖，用鐵絲把每個兩面需要焊接的焊孔用鐵絲接好，對其進行焊接，在焊接時為了確保每個焊空都是導通的，焊接完一個必須用萬用表對其進行測試。要特別注意個個元器件的管腳的是否對應，確定無誤后才能開始焊接。根據(jù)本課題設計的要求把兩片 74HC138 芯片通過級聯(lián)的方式連接：把第一片 74HC138 芯片 5 腳和 6 腳分別接 GND 和 VCC；第二片 74HC138 芯片的 4 腳和 5 腳接 GND；兩片 74HC138 芯片的 4 腳和 6 腳聯(lián)起引出一根輸入腳 D，其它三根腳為 A、 B、 C， 組合成 416 譯碼器，如 圖 所示。如圖 所示，想要先讓 U21 進行譯碼，給 D 置 0 就可以對其進行譯碼控制。結合 A、B、 C 三根二進制輸入端賦值，再結合設計的反相器電路，如圖 所示 。 VCC Vin RL GND 圖 反相器電路圖 當給 B 極 Vin 輸入端一個高電平，由于三極管的 E 極接 VCC 是的三極管不能導通，當在 E 極和 B 極之間加上一個很大的上拉電阻，通過上拉電阻的作用把 B 極的高電平變?yōu)榈碗娖?，從而使得三極管處于導通狀態(tài)，使得接在 LED 顯示屏上的 C 極輸出低電平。 本課題設計使用的點陣顯示屏是共陽的接法，所以還需要設計一款反相器電路（如圖 所示 ）對譯碼器輸出的數(shù)據(jù)進行取反。 RL 接的是 LED 的引腳 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計 (論文 )說明書 第 9 頁 共 41 頁 表 兩片 74HC138 芯片結合反相器輸出的 真值表 硬件列驅動控制模塊設計實現(xiàn) 本課題設計使用四片 74HC595 芯片并行輸出 32 位數(shù)據(jù)用于控制 16 列紅燈和 16 列綠燈的亮滅，通過查找相關資料對該芯片的管腳功能進行分析。相連組合成對 32 位數(shù)據(jù)的移位寄存器，接法如圖 所示。數(shù)據(jù)移完后，給寄存控制信號 RCK 一個高電平把 32 位數(shù)據(jù)進行鎖存，通過 13 腳使能控制信號端接 GND 就 把數(shù)據(jù)并行輸出。目前，在市場上見到的 LED 點陣屏有單基色和雙基色、三基色。三基色顯示屏可顯示由黑到白的可見光，色彩飛非常豐富。根據(jù)組成 LED 顯示屏顏色的數(shù)目可分為單色、雙色、三色，根據(jù)顏色的不同可以選擇制作單色顯示屏還是彩色顯示屏。單色有很多種顏色，如紅、綠、黃，藍色等單色。目前使用較多的軟件控制方式為脈沖寬度控制法，是控制脈沖的占空大小的方式控制二極體的點亮的時間，從而實現(xiàn)實現(xiàn)彩色顯示，圖 為單色 LED 矩陣的接法。不同的接法對于驅動芯片和設計驅動電路也有不同的要求，所以在制作驅動大型的點陣屏必須知道點陣內(nèi)部的結構。 圖 LED 點陣共陽接法 共陽雙基色點陣屏共有 24 根管腳， 8 根共陽端， 8 根是控制紅燈亮， 8 根是控制綠燈亮。當把共陽的雙基色點陣屏 8 根接共陽一端接一定的高電平，另外十六根管腳給低電平，就 會顯示橙色的。通過對點陣屏內(nèi)部結構的分析，點陣屏按內(nèi)部結構接法可分為共陰和共陽兩種接法。通過對使用的芯片的分析，再結合點陣屏內(nèi)部結構，設計出用四塊 88 矩陣塊實現(xiàn) 1616 的點陣屏，如圖 所示。如圖 所示 ， R1R16 為紅色發(fā)光二級管的控制引腳； G1G16 為綠色發(fā)光二級管的控制引腳； L1L16 為紅色綠發(fā)光二級管共陽的控制引腳。當個綠色發(fā)光二極管的控制引腳低電平，給紅色和綠色共陽的控制引腳高電平，發(fā)光二極管就會發(fā)出綠色的光。顏 色的不同是與發(fā)光二極管的亮度有關。如果只有一種顏色的燈亮，則把兩只表筆對換； （ 4）把對換的表筆依次在 88 點陣塊所有引腳接觸，看是否有兩種顏色的燈亮。如果是紅色表筆，則是共陽的接法；如果是黑色表筆，則是共陰的接法。為了能夠更好地設計出 LED 顯示屏掃描控制部分，必須對 FPGA 最小系統(tǒng)開發(fā)板有一定的了解。本課題設計就要用到時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，而且是個難點； 8個時鐘輸入端 （ 50MHz） ，用于時鐘的輸入，對編寫的程序和電路設計運行進桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計 (論文 )說明書 第 13 頁 共 41 頁 行控制； 119808比特 隨機存儲器 ，用于數(shù)據(jù)的存儲，可以 隨意取出或存入 數(shù)據(jù) ； 46