基于FPGA的LED點(diǎn)陣顯示字符設計

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和信息時(shí)代對各類(lèi)信息快速發(fā)布的需要， 許多政府部門(mén)和企事業(yè)單位從提高自身形象和信息規范化管理考慮， 廣泛采用LED 電子顯示屏顯示產(chǎn)品， 此類(lèi)多媒體顯示系統通過(guò)一定的控制方式，用于顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、股市行情等各種信息以及電視、錄像、DVD 等信號， 是交通指揮引導、部隊作戰、電力部門(mén)、公共場(chǎng)所進(jìn)行企業(yè)形象宣傳、信息發(fā)布和精神文明建設的有效工具和良好窗口。

　　采用現場(chǎng)可編程邏輯器件( FPGA) 作為控制器， 選擇合適的器件， 利用器件豐富的I/O 口、內部邏輯和連線(xiàn)資源， 采用自上而下的模塊化設計方法， 可以方便地設計整個(gè)顯示系統。

　　電子設計自動(dòng)化(EDA)技術(shù)是基于可編程器件( PLD) 的數字電子系統設計， 它是進(jìn)行系統芯片集成的新設計方法， 也正在快速地取代基于PCB 板的傳統設計方式。在EDA工具軟件MAX+PLUSⅡ的支持下， 本設計通過(guò)了編譯、適配和軟件仿真驗證。最后用載入真實(shí)實(shí)驗系統的硬件實(shí)驗證明了它的正確性。

　　1 系統結構及其原理

　　本設計結合上海航虹高科技公司生產(chǎn)的EDA實(shí)驗箱， 需要顯示的16 個(gè)字符的字模已存放在EPROM 的8000H~807FH, 采用單個(gè)8×8LED 點(diǎn)陣(WTD3088)顯示字符， 顯示控制由現場(chǎng)可編程門(mén)陣列( FPGA) EPF10K20TC144- 4 來(lái)實(shí)現。系統原理是FPGA首先產(chǎn)生點(diǎn)陣字模地址， 并從存儲器讀出數據存放在16 位寄存器中， 然后輸出到LED 點(diǎn)陣的列， 同時(shí)對點(diǎn)陣列循環(huán)掃描以動(dòng)態(tài)顯示數據， 當需要顯示數據字模的列和被選中的列能夠協(xié)調配合起來(lái)， 就可以正確顯示字符。

　　2 FPGA設計及其原理

　　為在8×8LED 發(fā)光二極管點(diǎn)陣上顯示字符， 首先要把字符表示成為8×8 像素點(diǎn)( AD0~AD7) , 分別為按列抽取依序排列的字符像素信息， 均具有8 位字長(cháng)。然后依次對多字符抽取像素信息， 并按序排隊存放于EPROM 之中， 便可得到一個(gè)待顯示數據序列。進(jìn)一步通過(guò)尋址的方法來(lái)控制該數據序列的釋放過(guò)程， 就可實(shí)現在8×8LED發(fā)光二極管點(diǎn)陣上滾動(dòng)顯示多個(gè)字符信息的目的。page 控制字符顯示的滾動(dòng)速度， 它的取值范圍應為0~N, col 決定LED 點(diǎn)陣的列開(kāi)關(guān)的掃描速度，它的取值范圍應為0~7.某一時(shí)刻能在顯示數據序列中定位待顯示數據的地址指針可用下式計算： addr=page+col應當注意的是， 掃描速度應遠大于滾動(dòng)速度， 本設計中使用的掃描時(shí)鐘是1KHz, 字符的滾動(dòng)速度是1 秒/ 個(gè)。調節字符信息的滾動(dòng)速度;改變col 的重復掃描周期， 可改善在LED 點(diǎn)陣上顯示完整字符信息的穩定性。

　　另外還需指出， 由于addr 的運算要靠硬件實(shí)現， 故地址指針addr的模應取為N, 而且為實(shí)現全部字符信息滾過(guò)LED 點(diǎn)陣， 必須在數據N前補充8 個(gè)空數據字節。根據其工作原理， 設計了描述FPGA內核硬件功能的VHDL 語(yǔ)言程序。本設計結合了EDA實(shí)驗箱和ALTERA公司的MAX+PLUSⅡ研發(fā)工具， 并采取了行為的描述方式。

　　VHDL程序如下：

　　libraryieee;

　　use ieee.s td_logic_1164.all;

　　use ieee.s td_logic_arith.all;

　　use ieee.s td_logic_uns igned.all;

　　entityledis

　　port (clk1,clk2,reset: ins td_logic;

　　led_s: out s td_logic_vector(2downto0);

　　memcs,rd,wr,cs0809,selmled:out s td_logic;

　　a: out s td_logic_vector(15downto0);

　　ad: out s td_logic_vector(7downto0));

　　end;

　　architecture led_archofledis

　　s ignalcol:integerrange 0to7;

　　s ignalpage :integerrange 0to15;

　　s ignaloe:s td_logic;

　　begin

　　proces s(clk2,reset,col)

　　begin

　　ifreset='1' then

　　col<=0;

　　els if(clk2'event andclk2='1')then

　　col<=col+1;

　　endif;

　　led_s <= conv_s td_logic_vector(col,3);

　　a(2downto0)<=conv_s td_logic_vector(col,3);

　　endproces s;

　　proces s(clk1,page)

　　begin

　　if(clk1'event andclk1='1')then

　　page<=page+1;

　　endif;

　　a(6downto3)<=conv_s td_logic_vector(page,4);

　　endproces s;

　　ad<= "ZZZZZZZZ";oe <= '0';

　　memcs <= '0';rd<= '0';

　　wr<= '1';selmled<='1';cs0809<= '1';

　　a(15downto7)<="100000000";

　　endled_arch;

　　3 實(shí)驗驗證

　　通過(guò)使用EDA工具軟件MAX+PLUSⅡ中的仿真器， 對通過(guò)編譯的字符滾動(dòng)顯示器的VHDL設計進(jìn)行了模擬仿真驗證， 證明FPGA的內核硬件工作良好。此外， 將VHDL 程序下載到由上海航虹高科技公司生產(chǎn)的EDA實(shí)驗箱上后， 能正確顯示存放于EPROM 中的字符。從而說(shuō)明了在硬件系統中字符滾動(dòng)和顯示掃描情況也均正常， 驗證了設計的正確性。

　　4 結束語(yǔ)

　　本設計為顯示單個(gè)字符系統， 若要同時(shí)顯示多個(gè)字符時(shí)， 可以加入多個(gè)LED 點(diǎn)陣即可。同時(shí)采用外部譯碼器時(shí)， 可以控制的字符數將大大增加， 但須注意時(shí)鐘CLK的頻率需要提高， 以眼睛看到整個(gè)字符的不閃爍為基準。此外， 由于FPGA的驅動(dòng)能力有限， 當點(diǎn)陣LED 顯示亮度不夠時(shí)， 需要為L(cháng)ED 點(diǎn)陣添加驅動(dòng)電路( 如高壓大電流達林頓陣列集成電路) 以提高的LED顯示亮度。