用EDA設計LED漢字滾動顯示器

    采用傳統(tǒng)方法設計的漢字滾動顯示器，通常需要使用單片機、存儲器和制約邏輯電路來進行PCB（印制電路板）板級的系統(tǒng)集成。盡管這種方案有單片機軟件的支持較為靈活，但是由于受硬件資源的限制，未來對設計的變更和升級，總是難以避免要付出較多研發(fā)經費和較長投放市場周期的代價。

    隨著電子設計自動化(EDA）技術的進展，基于可編程ASIC器件的數(shù)字電子系統(tǒng)設計的完整方案越來越受到人們的重視，并且以EDA技術為核心、的能在可編程ASIC器件上進行系統(tǒng)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(tǒng)設計方式。

    如何使用EDA工具設計電子系統(tǒng)是人們普遍關心的問題。在EDA工具軟件MAX+PLUSⅡ的支持下，本設計通過了編譯、適配和軟件仿真驗證。最后用載入真實實驗系統(tǒng)的硬件實驗證明了它的正確性。

硬件設計

    為了簡化討論，本文只研究在單個8×8 LED 發(fā)光二極管點陣上滾動顯示多漢字信息的問題。

    圖1給出的就是一個使用美國ALTERA公司10K系列FPGA設計的可支持滾動顯示多漢字信息的通用硬件電路。

    在圖中，標準JTAG接口與PC機并口相連，用于下載設計數(shù)據至FPGA中；LED點陣的data線由FPGA的I/O線串300Ω限流電阻后驅動，而sw線直接由FPGA的I/O線驅動。LED點陣采用掃描式工作方式，控制sw線的循環(huán)掃描信號為低電平有效，顯示數(shù)據data為高電平有效。

    由于ALTERA的10K10LC84-4芯片內部有足夠的RAM資源，所以本設計沒有采用外部RAM。

    另外，圖中的配置EPROM為可選件，只有當要求漢字滾動顯示器脫機運行時才需要采用。

滾動顯示多漢字信息的原理

    為在8×8 LED 發(fā)光二極管點陣上顯示漢字，首先要把漢字表示成為如圖2所示的8×8像素點圖。

    在圖2中，data0～data7分別為按列抽取依序排列的漢字像素信息，均具有8位字長。

    然后，依次對多漢字抽取像素信息，并按序排隊存放于ROM之中，便可得到一個待顯示數(shù)據序列。進一步通過尋址的方法來控制該數(shù)據序列的釋放過程，就可實現(xiàn)在8×8 LED 發(fā)光二極管點陣上滾動顯示多漢字信息的目的。圖3給出的就是實現(xiàn)滾動顯示多漢字信息的原理示意圖。

    由圖3可知，某一時刻能在顯示數(shù)據序列中定位待顯示數(shù)據的地址指針可用下式計算：

    addr=n+m    （1）

    顯然，n的取值范圍應為0～N，并由它控制漢字顯示的滾動速度；m的取值范圍應為0～7，并由它決定LED點陣的列開關sw的掃描速度。因此，控制n掃遍全部待顯示數(shù)據的時間，可調節(jié)漢字信息的滾動速度；改變m的重復掃描周期，可改善在LED點陣上顯示完整漢字信息的穩(wěn)定性。

    另外還需指出，由于式(1)的運算要靠硬件實現(xiàn)，故地址指針addr的模應取為N，而且為實現(xiàn)全部漢字信息滾過LED點陣，必須在數(shù)據N前補充8個空數(shù)據字節(jié)。

    根據圖3給出的顯示原理，我們可以構造出它所對應的硬件實現(xiàn)結構如圖4所示。

    根據圖4示出的原理，我們設計了描述FPGA內核硬件功能的VHDL語言程序。本設計使用了ALTERA公司的MAX+PLUSⅡ PLD研發(fā)工具中的參數(shù)化模型庫，并采取了結構化的描述方式。

    下面就是我們設計的VHDL程序：

顯示數(shù)據文件的加方法

    在VHDL設計中，ROM單元的初始化數(shù)據要由顯示數(shù)據文件data.hex提供，而且該文件的數(shù)據存放要符合Intel HEX格式。由于從漢字直接抽取的顯示數(shù)據為二進制代碼，故不能直接用于生成data.hex文件，因此需要借助其它EDA工具來幫助加工data.hex文件。下面就給出加工顯示數(shù)據文件data.hex的具體步驟：

    1、對多漢字抽取像素信息，形成按序排列的待顯示數(shù)據序列；

    2、使用河洛公司的萬用編程器ALL03或ALL07的應用軟件，將待顯示數(shù)據加工成為BIN格式的二進制數(shù)據文件data.bin；

    3、使用萬利公司的單片機仿真器軟件，將二進制數(shù)據文件data.bin轉換成為Intel HEX格式的顯示數(shù)據文件data.hex。

    當然，我們也可以使用單片機仿真器的應用軟件來直接加工顯示數(shù)據文件data.hex，但是這需要對具有二進制代碼的顯示數(shù)據進行軟件編程，因此不如上述方法簡潔。

實驗驗證

    為了驗證設計的正確性，我們使用EDA工具軟件MAX+PLUSⅡ中的模擬仿真器，對通過編譯的漢字滾動顯示器的VHDL設計進行了模擬仿真驗證， 實驗證明漢字滾動和顯示掃描情況均正常，也就是說FPGA的內核硬件工作良好，可以正確地實現(xiàn)設計功能。

    此外，漢字滾動顯示器的VHDL軟核設計也被載入了根據圖1建造的真實硬件系統(tǒng)之中。對硬件系統(tǒng)的實驗驗證也獲得了與軟件模擬仿真結論相吻合的結果。

    因此，我們可以得出下列結論：

    1、EDA技術不僅能降低數(shù)字電子系統(tǒng)設計的復雜性和難度，而且也能顯著地增強設計的靈活性；

    2、多種EDA工具的聯(lián)合應用，有助于提高設計效率和縮短設計周期；

    3、利用EDA工具獲取的軟件模擬仿真結果具有同傳統(tǒng)硬件實驗數(shù)據一樣的重要性和可信度。