【正文】 電子信息工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 題目類型： ?理論研究 ?實驗研究 ?工程設(shè)計 ?工程技術(shù)研究 ?軟件開發(fā) ?應(yīng)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(yīng)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(shù)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(qū)動，到現(xiàn)在彩色顯示屏動態(tài)驅(qū)動，所以對驅(qū)動控制電路有了更高的要求。設(shè)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(shè)計的是基于 FPGA的 LED 顯示屏控制器設(shè)計，需要選用什么樣的軟件開發(fā)工具，設(shè)計 LED 顯示屏的掃描控制程序。結(jié)合 Verilog 語言設(shè)計的特點和編寫程序的規(guī)則再結(jié)合硬件電路編寫對 LED 顯示屏的掃描控制部分。 結(jié)合 FPGA 開發(fā)板、硬件電路和軟件工程設(shè)計，最終實現(xiàn)了對 LED 顯示屏的控制系統(tǒng)的設(shè)計。 Double color LED display。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。 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(yīng)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(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。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(jī)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(jié)構(gòu)的組成分析。結(jié)合芯片的工作原理從而設(shè)計一款 LED 顯示屏的驅(qū)動控制電路。由于本課題設(shè)計 使用動態(tài)和靜態(tài)的掃描技術(shù)。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。 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(shè)計模塊論證。本節(jié)分析對 LED 顯示屏的基本結(jié)構(gòu)和工作流程。首先，對整體設(shè)計進(jìn)行分析；其次對對硬件驅(qū)動設(shè)計進(jìn)行理論分析；最后，對軟件驅(qū)動設(shè)計進(jìn)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(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。例如，邏輯單元數(shù)、存儲單元數(shù)等等。在對軟件設(shè)計時需要了解開發(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)計軟件掃描控制部分。最后，結(jié)合 Verilog 語言設(shè)計的特點再結(jié)合設(shè)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(shè)計，設(shè)計 LED 顯示屏的掃描控制部分。 圖 為 彩色點陣控制器 基本結(jié)構(gòu)框圖。 本課題設(shè)計使用的是雙基色 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。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。這樣給電路板的設(shè)計帶來了很大的方便，同時給調(diào)試電路板電路的時候減少了工作量。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。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。并行控制驅(qū)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(qū)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(shè)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(diào)試帶來方便，本課題設(shè)計選用串入并出的控制方式設(shè)計控制系統(tǒng)。在制作 LED顯示屏的列驅(qū)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(qū) 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(jié)合用三極管設(shè)計的一個反相器電路，從而實現(xiàn)對 LED 點陣屏的行進(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 (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)計論證 本課題設(shè)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(shè)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(jié)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(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。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。從硬件電路的總體設(shè)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(fù)位端，因為低電平有效，不需要把數(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，因為使能控制信號是低電平有效，為了使電路設(shè)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(jìn)行控制。由于本課題設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行電路原理圖設(shè)計和單層或雙層印刷電路板設(shè)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(shè)計要求設(shè)計的原理圖，在左側(cè)的元器件庫中找到相應(yīng)的元器件圖，按照一定的順序排列。 把每一個器件的封裝設(shè)定好后，更新 PCB，點擊設(shè)計標(biāo)題欄下的子標(biāo)題 ， 完成了電路圖 PCB 更新。設(shè)置 GND 和 VCC 線的線寬，再對其它線的線寬進(jìn)行設(shè)置，并且要對焊孔和線的進(jìn)行安全距離設(shè)置。設(shè)置 好線寬后，再設(shè)置焊孔的大小，如果焊孔設(shè)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(shè)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(zhuǎn)印到銅板上，需要高溫轉(zhuǎn)印機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)印 。完成后，就固定 PCB 圖紙并把它放入高溫轉(zhuǎn)印機(jī)上轉(zhuǎn)印。腐蝕完后開始打孔，根據(jù)前面設(shè)置好的焊盤大小選用相應(yīng)的打孔針打孔，在打孔時要注意對準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行焊接，在焊接時為了確保每個焊空都是導(dǎo)通的，焊接完一個必須用萬用表對其進(jìn)行測試。要特別注意個個元器件的管腳的是否對應(yīng)，確定無誤后才能開始焊接。根據(jù)本課題設(shè)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(jìn)行譯碼，給 D 置 0 就可以對其進(jìn)行譯碼控制。結(jié)合 A、B、 C 三根二進(jìn)制輸入端賦值，再結(jié)合設(shè)計的反相器電路，如圖 所示 。 VCC Vin RL GND 圖 反相器電路圖 當(dāng)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(dǎo)通，當(dāng)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(dǎo)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(shè)計使用的點陣顯示屏是共陽的接法，所以還需要設(shè)計一款反相器電路（如圖 所示 ）對譯碼器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行取反。 RL 接的是 LED 的引腳 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 第 9 頁 共 41 頁 表 兩片 74HC138 芯片結(jié)合反相器輸出的 真值表 硬件列驅(qū)動控制模塊設(shè)計實現(xiàn) 本課題設(shè)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(guān)資料對該芯片的管腳功能進(jìn)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(jìn)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(lán)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(qū)動芯片和設(shè)計驅(qū)動電路也有不同的要求，所以在制作驅(qū)動大型的點陣屏必須知道點陣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。 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(dāng)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(jié)構(gòu)的分析，點陣屏按內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)合點陣屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)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(dāng)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(guān)。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(shè)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(shè)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(shè)計運行進(jìn)桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 第 13 頁 共 41 頁 行控制； 119808比特 隨機(jī)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) ； 4608個邏輯單元，可以對數(shù)據(jù)或文件資源進(jìn)行訪問。下