基于FPGA控制的LED漢字滾動顯示器設(shè)計方案

0 引言

現(xiàn)代文明的一個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點陣制作的漢字或圖形廣告，廣泛應用在銀行、醫(yī)院、酒店、火車站、體育場館等各種公共場所。

漢字滾動顯示器的傳統(tǒng)設(shè)計方法是用單片機來控制的，雖然單片機方案具有價格低廉，程序編程靈活等特點，但由于單片機硬件資源的限制，未來對設(shè)計的變更和升級，總是要付出較多研發(fā)經(jīng)費和較長投放市場周期的代價，甚至有可能需要重新設(shè)計。況且，在以顯示為主的系統(tǒng)中，單片機的運算和控制等主要功能的利用率很低，單片機的優(yōu)勢得不到發(fā)揮，相當于很大的資源浪費。

采用EDA技術(shù)的自頂向下的模塊化設(shè)計方法，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)計效率高、集成度好、保密性強、易于修改、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，成為當今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計主流技術(shù)。此方式所制作的LED點陣控制器，由于是純硬件行為，具有速度快、可靠性高、抗干擾能力強、開發(fā)周期短等顯著優(yōu)點。

1 EDA點陣顯示漢字原理

以8×8的LED點陣為例，8×8的LED點陣是由64個發(fā)光二極管按矩陣形式排列而成，每一行上的發(fā)光管有一個公共的陽極(或陰極)，每一列上的發(fā)光管有一個公共的陰極(或陽極)，一般按動態(tài)掃描方式顯示漢字或圖形。掃描分為點掃描、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。由于所用實驗板上提供有1 kHz的時鐘，本例設(shè)計中利用該時鐘進行掃描，使每行掃描時間為1 ms，實驗結(jié)果顯示亮度合適?，F(xiàn)以行掃描為例簡單說明動態(tài)掃描顯示的原理。圖1給出漢字“熱”在點陣為列共陽時的行字模。工作時先將要掃描行的點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，然后再反復掃描這8行直至顯示新的信息。以下設(shè)計采用行掃描方式實現(xiàn)滾動顯示。

2 硬件原理圖

整個電路由五大部分組成：時鐘計數(shù)模塊GEL_CLK，存儲漢字字模的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。時鐘計數(shù)模塊用于產(chǎn)生整個電路所需要的時鐘及其對時鐘的計數(shù)值，例如：移位時鐘CLK YW，移位計數(shù)器CNT YW，字計數(shù)器CNT WORD，顯示掃描計數(shù)器CNT SM。ROMZI模塊是由QualtusⅡ中的LPM 1PORT ROM定制成，用來存儲8個待顯示的漢字。MUX模塊用于在掃描時鐘及掃描計數(shù)器的作用下，從ROM中讀出一個漢字的8個行字模信息，送給移位模塊YW，YW模塊在移位時鐘及移位計數(shù)器作用下，根據(jù)SELECT信號選擇對讀出的字模信息，進行相應的移位(左移、右移、上移、下移)后，最后送顯示模塊DISP驅(qū)動LED點陣顯示漢字。原理圖如圖2所示。

3 模塊設(shè)計及時序仿真

3．1 時鐘計數(shù)產(chǎn)生模塊

時鐘計數(shù)產(chǎn)生模塊由1 kHz的輸人時鐘為基準，進行17位的循環(huán)計數(shù)CNT[16．．O]。該時鐘，既是動態(tài)掃描顯示的時鐘，也是從ROM中取一個字8個字模的時鐘，對之進行的3位循環(huán)計數(shù)作為掃描顯示計數(shù)器和取一個字的字型碼計數(shù)器。CNT[16．．O]中的CNT[9]是對該時鐘的1 024分頻，將其作為移位時鐘CNT_YW，周期約為l s。CNT[13…lO]作為4位的移位計數(shù)器，是對移位時鐘CLK_YW的計數(shù)，也是對移位位數(shù)的統(tǒng)計。16個狀態(tài)使一個漢字逐列移進點陣，又逐列移出。每經(jīng)過16個移位時鐘，將會顯示完一個漢字。CNT[16．．14]作為3位的取字計數(shù)器。

CNT[16…14]＆CNT[2．．O]作為ROM地址發(fā)生器。

3．2 ROMZI模塊

利用LPM參數(shù)化模塊庫中單口ROM，利用QualtusⅡ中的MegaWizard Plug-In Manager定制而成，定制前首先要制作LPM ROM初始化文件，其中存儲待顯示漢字的字模數(shù)據(jù)，然后按照LPM MegaWizardPlug-In Manager的向?qū)崾?，結(jié)合設(shè)計要求進行定制。

圖3為所定制ROM中的初始化漢字“元旦生日開心快樂”的字型碼。數(shù)據(jù)分配模塊MUX要求能在8個時鐘作用下，從ROM中讀出一行(一個漢字的8個字型碼)分別送到數(shù)據(jù)分配器中的WLl～WL8輸出端。圖4為數(shù)據(jù)分配模塊在掃描時鐘作用下讀取的字模數(shù)據(jù)，比較圖3和圖4可知，仿真結(jié)果正確，能滿足題目要求。

3．3 移位模塊YW

移位模塊YW是整個設(shè)計的核心，行掃描實現(xiàn)左移，是通過每來一個移位時鐘，將每一行的字模按位左移一位，掃描時鐘到來時送出移位后的新字模。通過8次移位，可將一個漢字移出點陣平面，按類似的道理，也可以將一個漢字經(jīng)8次移位后移進點陣平面。本例(圖2)中，CNT YW為移位時鐘的計數(shù)值，以WLl～WL8為欲顯示漢字的原始字模，L10～L80為移位后從列上送出的8行顯示字模信息，LLl～LL8為8個原始字模信息未送出位的暫存信號。設(shè)計中需要16個移位時鐘，通過前8個時鐘將WLl～WL8字模移進LED點陣平面，再經(jīng)后8個時鐘，將漢字又一位一位地移出。移位設(shè)計參考文獻中有關(guān)移位寄存器的設(shè)計，分計數(shù)值為“0000和非0000兩部分處理，對第一行字模的處理為：

其他行可按相同方法處理，具體參見如下的程序：

右移處理方法與上面左移相反，如對第一行可按如下方法處理：

上移時的部分程序按以下思路編制：L10～L70在CNT_YW為初態(tài)“0000”時，各信號均賦值X“00”，非初態(tài)時，均進行上移一位。即：L10=L20；L20=L30；…；L60=L70；L70=L80；對于L80，在漢字移進LED過程中即前8個狀態(tài)各移進一個新行，在移出LED即后8個狀態(tài)時，都補進X“00”。程序如下：

下移程序可按相反思路去編。

3．4 顯示模塊DISP設(shè)計

顯示模塊DISP是以CNT_SM為掃描計數(shù)器，是對1kHz進行三位循環(huán)計數(shù)，由前述的時鐘計數(shù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生，WLl～WL8為待送出顯示的8個8位字型碼，由前述的移位模塊YW提供；SW[7．．O]為行掃描輸出信號，連接至點陣的8個行；DATA[7．．0]為行掃描時對應的列輸出字型碼，對外連至點陣的8列。該模塊參考文獻中數(shù)碼管動態(tài)顯示程序進行設(shè)計如下：

4 硬件實現(xiàn)

上述各模塊分別在QualtusⅡ中通過了仿真驗證，最后對整體設(shè)計進行了硬件驗證。將設(shè)計載入KH31001開發(fā)板的Cyclone工系列EPlC6Q-240C8FPGA器件中，實驗證明漢字滾動顯示掃描情況均正常，能夠按照預想進行移位顯示，這說明。FPGA的內(nèi)核硬件工作良好，可以正確地實現(xiàn)所要求的設(shè)計功能。

5 系統(tǒng)擴展

本文是針對8×8點陣設(shè)計，故每次取8個字形碼，如果是16×16點陣，將RONZI中存儲的字形碼改為16位，數(shù)據(jù)線改為16位，一個漢字需要16個16位的字形碼，數(shù)據(jù)分配模塊MUX、移位模塊YW、顯示模塊DISP，均要將輸入輸出數(shù)據(jù)中的原來的8位改成相應的16位。掃描及取字型碼計數(shù)器CNT_SM應改為CNT計數(shù)器的低4位。一個16×16點陣漢字的移進移出共需32個狀態(tài)。由5位的計數(shù)器提供。如用CNT[16．．0]中的14～10位作為該計數(shù)器，這可在時鐘計數(shù)器產(chǎn)生單元CLK_GE中應做相應修改，字計數(shù)器CNT WORD按照每取16個字進行加1統(tǒng)計。顯示DISP部分的譯碼器要由3-8譯碼改為4-16譯碼。顯示的漢字信息越多，ROM的地址線位數(shù)越多，字計數(shù)器CNT_WORD應在時鐘計數(shù)器產(chǎn)生單元GE_CLK中，將相應的計數(shù)器位數(shù)擴展，由CNT計數(shù)器的最高位到位15來承擔。若還是8個漢字，計數(shù)器應為CNT[17．．O]，CNT[17．．15]為字計數(shù)器；若為16個漢字，計數(shù)器應為CNT[18．．O]，CNT[18．．15]為字計數(shù)器，…，依次類推。

6 結(jié)語

本文在KH31001開發(fā)板上實現(xiàn)了基于Altera公司的Cyclone I系列FPGA器件EPlC6Q240C8硬件及VHDL硬件描述語言設(shè)計的LED點陣漢字滾動顯示，能在8×8點陣上滾動顯示“元旦生日開心快樂”8個漢字。文中從LED點陣顯示漢字的原理闡述出發(fā)，給出了點陣漢字滾動顯示控制器的原理圖，部分模塊的VHDL源程序及時序仿真圖，并能由按鍵選擇其滾動方式：左移、右移、上移、下移等，給出了系統(tǒng)擴展成16×16點陣漢字滾動的改動思路。從文中描述的系統(tǒng)擴展方案中看出，當系統(tǒng)顯示字符個數(shù)變化時，只需對控制邏輯和連接關(guān)系做適當?shù)男薷?，再將修改完成的程序下載到器件即可，顯然，系統(tǒng)的維護和修改是極其方便和容易的，本文對同類設(shè)計也具有一定的參考價值。