基于FPGA控制的LED漢字滾動(dòng)顯示器設(shè)計(jì)

O 引言
現(xiàn)代文明的一個(gè)顯著特征是城市中隨處可見的五顏六色的廣告宣傳，其中大多都是由LED點(diǎn)陣制作的漢字或圖形廣告，廣泛應(yīng)用在銀行、醫(yī)院、酒店、火車站、體育場館等各種公共場所。
漢字滾動(dòng)顯示器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是用單片機(jī)來控制的，雖然單片機(jī)方案具有價(jià)格低廉，程序編程靈活等特點(diǎn)，但由于單片機(jī)硬件資源的限制，未來對(duì)設(shè)計(jì)的變更和升級(jí)，總是要付出較多研發(fā)經(jīng)費(fèi)和較長投放市場周期的代價(jià)，甚至有可能需要重新設(shè)計(jì)。況且，在以顯示為主的系統(tǒng)中，單片機(jī)的運(yùn)算和控制等主要功能的利用率很低，單片機(jī)的優(yōu)勢得不到發(fā)揮，相當(dāng)于很大的資源浪費(fèi)。
采用EDA技術(shù)的自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法，借助相關(guān)開發(fā)軟件，例如QualtusⅡ軟件，將硬件描述語言——VHDL程序固化于具有豐富I／O口、內(nèi)部邏輯和連線資源的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)中。該技術(shù)具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率高、集成度好、保密性強(qiáng)、易于修改、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)主流技術(shù)。此方式所制作的LED點(diǎn)陣控制器，由于是純硬件行為，具有速度快、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、開發(fā)周期短等顯著優(yōu)點(diǎn)。

1 EDA點(diǎn)陣顯示漢字原理
以8×8的LED點(diǎn)陣為例，8×8的LED點(diǎn)陣是由64個(gè)發(fā)光二極管按矩陣形式排列而成，每一行上的發(fā)光管有一個(gè)公共的陽極(或陰極)，每一列上的發(fā)光管有一個(gè)公共的陰極(或陽極)，一般按動(dòng)態(tài)掃描方式顯示漢字或圖形。掃描分為點(diǎn)掃描、行掃描和列掃描三種方式。行掃描需要按行抽取字型碼，列掃描則需要按列抽取字型碼。為滿足視覺暫留要求，若使用點(diǎn)掃描方式，其掃描頻率必須大于16×64=1 024Hz，周期小于1ms。若使用行或列掃描，則頻率必須大于16×8=128Hz，周期小于7．8ms。由于所用實(shí)驗(yàn)板上提供有1 kHz的時(shí)鐘，本例設(shè)計(jì)中利用該時(shí)鐘進(jìn)行掃描，使每行掃描時(shí)間為1 ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示亮度合適。現(xiàn)以行掃描為例簡單說明動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理。圖1給出漢字“熱”在點(diǎn)陣為列共陽時(shí)的行字模。工作時(shí)先將要掃描行的點(diǎn)陣字模從各列上輸出，再讓譯碼器選中(掃描)該行，使本行得以顯示，接著再送下一行數(shù)據(jù)，再使下一行有效，直到8行全被掃描一遍。至此，一幅完整的文字信息就顯現(xiàn)出來，然后再反復(fù)掃描這8行直至顯示新的信息。以下設(shè)計(jì)采用行掃描方式實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)顯示。

2 硬件原理圖
整個(gè)電路由五大部分組成：時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊GEL_CLK，存儲(chǔ)漢字字模的ROM模塊ROMZI，數(shù)據(jù)分配器模塊MUX，移位模塊YW及顯示模塊XIANSH-I。時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊用于產(chǎn)生整個(gè)電路所需要的時(shí)鐘及其對(duì)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值，例如：移位時(shí)鐘CLK YW，移位計(jì)數(shù)器CNT YW，字計(jì)數(shù)器CNT WORD，顯示掃描計(jì)數(shù)器CNT SM。ROMZI模塊是由QualtusⅡ中的LPM 1PORT ROM定制成，用來存儲(chǔ)8個(gè)待顯示的漢字。MUX模塊用于在掃描時(shí)鐘及掃描計(jì)數(shù)器的作用下，從ROM中讀出一個(gè)漢字的8個(gè)行字模信息，送給移位模塊YW，YW模塊在移位時(shí)鐘及移位計(jì)數(shù)器作用下，根據(jù)SELECT信號(hào)選擇對(duì)讀出的字模信息，進(jìn)行相應(yīng)的移位(左移、右移、上移、下移)后，最后送顯示模塊DISP驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣顯示漢字。原理圖如圖2所示。

3 模塊設(shè)計(jì)及時(shí)序仿真
3．1 時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生模塊
時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生模塊由1 kHz的輸人時(shí)鐘為基準(zhǔn)，進(jìn)行17位的循環(huán)計(jì)數(shù)CNT[16．．O]。該時(shí)鐘，既是動(dòng)態(tài)掃描顯示的時(shí)鐘，也是從ROM中取一個(gè)字8個(gè)字模的時(shí)鐘，對(duì)之進(jìn)行的3位循環(huán)計(jì)數(shù)作為掃描顯示計(jì)數(shù)器和取一個(gè)字的字型碼計(jì)數(shù)器。CNT[16．．O]中的CNT[9]是對(duì)該時(shí)鐘的1 024分頻，將其作為移位時(shí)鐘CNT_YW，周期約為l s。CNT[13…lO]作為4位的移位計(jì)數(shù)器，是對(duì)移位時(shí)鐘CLK_YW的計(jì)數(shù)，也是對(duì)移位位數(shù)的統(tǒng)計(jì)。16個(gè)狀態(tài)使一個(gè)漢字逐列移進(jìn)點(diǎn)陣，又逐列移出。每經(jīng)過16個(gè)移位時(shí)鐘，將會(huì)顯示完一個(gè)漢字。CNT[16．．14]作為3位的取字計(jì)數(shù)器。
CNT[16…14]＆CNT[2．．O]作為ROM地址發(fā)生器。