《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于FPGA及VHDL的LED點(diǎn)陣漢字滾動(dòng)顯示設(shè)計(jì)方案
基于FPGA及VHDL的LED點(diǎn)陣漢字滾動(dòng)顯示設(shè)計(jì)方案
摘要: 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,未來對設(shè)計(jì)的變更和升級,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)?! 〔捎肊DA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。
Abstract:
Key words :

  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,未來對設(shè)計(jì)的變更和升級,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?,F(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信號選擇對讀出的字模信息,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,是對移位時(shí)鐘CLK_YW的計(jì)數(shù),也是對移位位數(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。

  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(jì)要求進(jìn)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(gè)時(shí)鐘作用下,從ROM中讀出一行(一個(gè)漢字的8個(gè)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(shí)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(gè)設(shè)計(jì)的核心,行掃描實(shí)現(xiàn)左移,是通過每來一個(gè)移位時(shí)鐘,將每一行的字模按位左移一位,掃描時(shí)鐘到來時(shí)送出移位后的新字模。通過8次移位,可將一個(gè)漢字移出點(diǎn)陣平面,按類似的道理,也可以將一個(gè)漢字經(jīng)8次移位后移進(jìn)點(diǎn)陣平面。本例(圖2)中,CNT YW為移位時(shí)鐘的計(jì)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(gè)原始字模信息未送出位的暫存信號。設(shè)計(jì)中需要16個(gè)移位時(shí)鐘,通過前8個(gè)時(shí)鐘將WLl~WL8字模移進(jìn)LED點(diǎn)陣平面,再經(jīng)后8個(gè)時(shí)鐘,將漢字又一位一位地移出。 移位設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)中有關(guān)移位寄存器的設(shè)計(jì),分計(jì)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(shí)的部分程序按以下思路編制:L10~L70在CNT_YW為初態(tài)“0000”時(shí),各信號均賦值X“00”,非初態(tài)時(shí),均進(jìn)行上移一位。即:L10<=L20;L20<=L30;…;L60<=L70;L70<=L80;對于L80,在漢字移進(jìn)LED過程中即前8個(gè)狀態(tài)各移進(jìn)一個(gè)新行,在移出LED即后8個(gè)狀態(tài)時(shí),都補(bǔ)進(jìn)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(jì)

  顯示模塊DISP是以CNT_SM為掃描計(jì)數(shù)器,是對1kHz進(jìn)行三位循環(huán)計(jì)數(shù),由前述的時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生,WLl~WL8為待送出顯示的8個(gè)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(diǎn)陣的8個(gè)行;DATA[7..0]為行掃描時(shí)對應(yīng)的列輸出字型碼,對外連至點(diǎn)陣的8列。該模塊參考文獻(xiàn)中數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示程序進(jìn)行設(shè)計(jì)如下:

  

 

  

 

  4 硬件實(shí)現(xiàn)

  上述各模塊分別在QualtusⅡ中通過了仿真驗(yàn)證,最后對整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。將設(shè)計(jì)載入KH31001開發(fā)板的Cyclone工系列EPlC6Q-240C8FPGA器件中,實(shí)驗(yàn)證明漢字滾動(dòng)顯示掃描情況均正常,能夠按照預(yù)想進(jìn)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(shí)現(xiàn)所要求的設(shè)計(jì)功能。

  5 系統(tǒng)擴(kuò)展

  本文是針對8×8點(diǎn)陣設(shè)計(jì),故每次取8個(gè)字形碼,如果是16×16點(diǎn)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(gè)漢字需要16個(gè)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(yīng)的16位。掃描及取字型碼計(jì)數(shù)器CNT_SM應(yīng)改為CNT計(jì)數(shù)器的低4位。一個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字的移進(jìn)移出共需32個(gè)狀態(tài)。由5位的計(jì)數(shù)器提供。如用CNT[16..0]中的14~10位作為該計(jì)數(shù)器,這可在時(shí)鐘計(jì)數(shù)器產(chǎn)生單元CLK_GE中應(yīng)做相應(yīng)修改,字計(jì)數(shù)器CNT WORD按照每取16個(gè)字進(jìn)行加1統(tǒng)計(jì)。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(jì)數(shù)器CNT_WORD應(yīng)在時(shí)鐘計(jì)數(shù)器產(chǎn)生單元GE_CLK中,將相應(yīng)的計(jì)數(shù)器位數(shù)擴(kuò)展,由CNT計(jì)數(shù)器的最高位到位15來承擔(dān)。若還是8個(gè)漢字,計(jì)數(shù)器應(yīng)為CNT[17..O],CNT[17..15]為字計(jì)數(shù)器;若為16個(gè)漢字,計(jì)數(shù)器應(yīng)為CNT[18..O],CNT[18..15]為字計(jì)數(shù)器,…,依次類推。

  6 結(jié)語

  本文在KH31001開發(fā)板上實(shí)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(jì)的LED點(diǎn)陣漢字滾動(dòng)顯示,能在8×8點(diǎn)陣上滾動(dòng)顯示“元旦生日開心快樂”8個(gè)漢字。文中從LED點(diǎn)陣顯示漢字的原理闡述出發(fā),給出了點(diǎn)陣漢字滾動(dòng)顯示控制器的原理圖,部分模塊的VHDL源程序及時(shí)序仿真圖,并能由按鍵選擇其滾動(dòng)方式:左移、右移、上移、下移等,給出了系統(tǒng)擴(kuò)展成16×16點(diǎn)陣漢字滾動(dòng)的改動(dòng)思路。從文中描述的系統(tǒng)擴(kuò)展方案中看出,當(dāng)系統(tǒng)顯示字符個(gè)數(shù)變化時(shí),只需對控制邏輯和連接關(guān)系做適當(dāng)?shù)男薷模賹⑿薷耐瓿傻某绦蛳螺d到器件即可,顯然,系統(tǒng)的維護(hù)和修改是極其方便和容易的,本文對同類設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。