1 引言
隨著人們生活節(jié)奏的加快，越來越多的場合需要使用電子手段動態(tài)發(fā)布信息，其中應(yīng)用非常廣泛的一種方法就是LED點陣顯示。傳統(tǒng)的點陣漢字顯示通常采用單片機作為控制核心，結(jié)合存儲器、邏輯電路和LED點陣來實現(xiàn)。單片機具有良好的集成度，在很多對設(shè)備體積要求較高的場合得到了廣泛應(yīng)用。但是此方案開發(fā)和升級控制程序的工作量都很大[1]。在教學(xué)實踐中對于學(xué)生軟件方面的能力和協(xié)同工作鍛煉有限。基于這些考慮，使用PC并口EPP模式控制CPLD的LED點陣顯示方案具有較好的實用價值和易操作性。基于EPP的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)比SPP和RS232具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適合于需要高速傳輸?shù)膱龊蟍2]。本設(shè)計實際測試并證明了EPP模式下計算機并口與CPLD結(jié)合進行電子設(shè)計的可行性與高效性。實驗中采用了16*16的LED點陣。
2 系統(tǒng)整體方案與協(xié)議
2.1 系統(tǒng)整體方案
本系統(tǒng)采用計算機并口以點陣的形式發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，CPLD作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理核心來控制顯示屏的驅(qū)動電路。待顯示的文字全部使用計算機處理并生成點陣數(shù)據(jù)，因此可以選用無RAM的CPLD器件，同時也可以方便的直接控制顯示效果，降低功耗。本系統(tǒng)采用ALTERA公司的EPM7128LS84-15。在設(shè)計中，將盡可能多的功能用計算機的軟件來實現(xiàn)，以減少硬件的負(fù)擔(dān)，并降低系統(tǒng)更新維護的代價。軟件部分采用VC++6.0開發(fā)。
2.2 接口協(xié)議
本設(shè)計采用16*16的點陣顯示器，每幀要求PC提供256路信號，顯然對于PC并口來說，其I/O資源是不足的，需要CPLD來加以處理。計算機軟件需要完成的工作有：①讀取用戶輸入的文字，并將其轉(zhuǎn)換為點陣數(shù)據(jù)；②定時使點陣循環(huán)移位，產(chǎn)生漢字移動的字幕效果；③定時以八位為單位發(fā)送當(dāng)前需要顯示的點陣，并發(fā)送若干控制信號，使CPLD控制LED顯示相應(yīng)的點陣，每幀需要發(fā)送32次。接口協(xié)議采用了3個控制位，以C0、C1和C2表示；CPLD返回的狀態(tài)位與EPP的定義相同，在此不贅述。PC與CPLD之間的接口協(xié)議如下：
·CPLD上電給出在線信號Busy=1；
·PC檢測Busy=1，發(fā)C0=1，C1=0，C2=0（通知CPLD：并口要開始發(fā)新幀的數(shù)據(jù)）；
·CPLD應(yīng)答nAck=1，并初始化內(nèi)部地址變量Address=1111；
·PC檢測狀態(tài)nAck=1，發(fā)C0=0，C1=1，C2=0（通知CPLD：發(fā)送某一行的高8位數(shù)據(jù)），并發(fā)送高8位數(shù)據(jù)；
·PC發(fā)C0=0，C1=0，C2=0，確保高8位和低8位不會混淆；
·CPLD收到數(shù)據(jù)后，Address+1，高8位數(shù)據(jù)暫存，并發(fā)應(yīng)答信號nSelect=1；
·PC檢測nSelect=1，發(fā)C0=0，C1=0，C2=1（通知CPLD：發(fā)送同一行的低8位數(shù)據(jù)），并發(fā)送低8位數(shù)據(jù)；
·CPLD內(nèi)部地址變量Address不變，把高8位數(shù)據(jù)與低8位數(shù)據(jù)組合成一行，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)答信號PaperEnd=1；
·PC檢測PaperEnd=1，進入循環(huán)。
LED點陣顯示采用逐行掃描，為了避免顯示屏的閃爍，每秒至少需要刷新25次。系統(tǒng)整體框圖見圖1。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計中用到的顯示屏是16*16點陣的，所以通過四個8*8LED點陣模塊來組合成16*16點陣。圖1中的行驅(qū)動器和列驅(qū)動器是必要的，因為CPLD輸出的高電平可能不足以推動LED發(fā)光，造成點陣亮度不一的問題。實際設(shè)計中，采用反向器作為驅(qū)動。
在本設(shè)計中，CPLD是核心，有著承上啟下的作用。因此，在接口協(xié)議確定的條件下，CPLD內(nèi)部控制編寫的VHDL程序的好壞關(guān)系到整個系統(tǒng)。根據(jù)前述協(xié)議可知，CPLD主要是完成與計算機的通信，再控制驅(qū)動電路使得LED點陣顯示屏正常顯示。本設(shè)計采用Max+PlusII編寫VHDL程序，用Protel 99SE進行電路板設(shè)計。VHDL程序及注釋如下：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity display is
port( clk: in std_logic;
c: in std_logic_vector(2 downto 0); --三位控制信號
data: in std_logic_vector(7 downto 0); --數(shù)據(jù)輸入
status: out std_logic_vector(2 downto 0); --三位狀態(tài)信號
col: out std_logic_vector(15 downto 0); --列輸出
row: out std_logic_vector(15 downto 0) --行輸出 );
end display;
architecture control of display is
signal v_row: std_logic_vector(15 downto 0); --暫存行數(shù)據(jù)
begin
row<=v_row; --輸出行數(shù)據(jù)
process(clk,c,data)
variable address: std_logic_vector(3 downto 0); --行地址變量
variable hdata: std_logic_vector(7 downto 0); --暫存高八位列數(shù)據(jù)變量
variable t: std_logic; --局部變量控制“行地址加一”行為
begin
if clk'event and clk='1'then
if c="001" then
status<="110";
address:="1111";
t:='0'; --初始化變量
elsif c="010" then
status<="011";
if t='0' then --局部變量t=0行地址加一
address:=address+1;
t:= '1'; --行地址加一后立即置變量t為1
end if;
hdata:=data; --暫存高八位列數(shù)據(jù)
elsif c="100" then
t:='0';
case address is --行地址譯碼
when "0000" => v_row<=X"0001";
--此處從略
when others => null;
end case;
status<="101";
col<=hdata&data; --同時輸出高低八位
end if;
end if;
end process;
end control;
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 漢字點陣讀取及滾動顯示的原理
要在16*16點陣上顯示漢字，首先需要把用戶輸入的漢字轉(zhuǎn)化成點陣形式。首先獲取漢字的區(qū)位碼，再通過計算公式找到此漢字在16*16點陣漢字庫文件HZK16中的存儲位置，從而得到它的點陣信息。公式如下：
lHzkPosition=((nSection-1)*94+nPosition-1)*32
其中，lHzkPosition是漢字點陣在漢字庫中的首地址，nSection和nPosition分別是漢字的區(qū)碼和位碼。Windows 2000/XP操作系統(tǒng)默認(rèn)的字符集是Unicode，這是一個全球一體化的字符集，無法映射得到漢字的GB2312區(qū)位碼。所以，軟件的字符編碼方式必須采用GB2312，在VC++中采用MBCS（Multi-Byte Char System）即可。在此使用一個CString對象存儲需要顯示的文本，CString可以以字節(jié)為單位進行操作，一個漢字（或其它全角字符）對應(yīng)兩個字節(jié)。如果保證這個CString里面的字符全部是全角字符，就可以在點陣漢字庫里找到它們的點陣。以字節(jié)為單位讀取字符的機內(nèi)碼。將一個字符的高字節(jié)減去0xA0就得到漢字的區(qū)碼；將一個字符的低字節(jié)減去0xA0就得到漢字的位碼。為避免頻繁磁盤讀寫，同時實現(xiàn)較大程度的集成，可以把HZK16漢字庫放到程序的資源中。確定此資源在內(nèi)存中的首地址，再加上由區(qū)位碼計算得到的字庫的存儲位置，就可以確定漢字點陣在內(nèi)存中的位置。
在程序中加入兩個定時器，分別定時觸發(fā)漢字滾動和數(shù)據(jù)發(fā)送事件。漢字滾動用位操作實現(xiàn)，建立一個32字節(jié)的字節(jié)數(shù)組，用來存儲當(dāng)前顯示屏上需要顯示的點陣，定時器觸發(fā)時，根據(jù)當(dāng)前顯示的字符和已經(jīng)移位的次數(shù)，讀取待顯示漢字點陣的相應(yīng)位置，并將讀取出來的點陣數(shù)據(jù)移位相加，即可獲得當(dāng)前屏幕需要顯示的點陣。調(diào)整定時器觸發(fā)的時間間隔，即可調(diào)整漢字滾動的速度。
4.2 點陣漢字發(fā)送的原理
以字節(jié)為單位讀取待顯示的32字節(jié)數(shù)組，根據(jù)前述協(xié)議，通過操作并口寄存器將每次讀到的字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送到CPLD，并讀取CPLD的返回狀態(tài)，不斷地握手、發(fā)送、等待應(yīng)答，直到以用戶給定的幀速將點陣數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。幀速的設(shè)定是因為發(fā)送定時器的觸發(fā)時間較長，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象，因此每次發(fā)送定時器觸發(fā)時，同一幀數(shù)據(jù)發(fā)送多次，就可以有效的減少閃爍感。用戶可以根據(jù)使用環(huán)境，隨時調(diào)整幀速以達(dá)到最好的顯示效果。
為了避免設(shè)備掉電或者其他原因沒有應(yīng)答造成的程序死鎖，發(fā)送程序必須包含超時檢測。在等待CPLD應(yīng)答時，反復(fù)讀取并口的狀態(tài)寄存器，以一個臨時變量記錄沒有應(yīng)答的次數(shù)，并和一個預(yù)先設(shè)定好的最大應(yīng)答延遲次數(shù)相比較，如果超過最大延遲次數(shù)，則判定CPLD應(yīng)答超時，停止繼續(xù)發(fā)送并提示用戶。最大延遲次數(shù)的設(shè)定和CPLD采用的晶振頻率有關(guān)，在實驗中，若采用4Mhz晶振，正常工作狀態(tài)下，計算機無需循環(huán)，可以實時檢測到CPLD的應(yīng)答信號；若采用250Khz晶振，則需要多次檢測才可以檢測到應(yīng)答信號，此時若將最大延遲次數(shù)設(shè)置過低，計算機將設(shè)備判為延遲并重新發(fā)送，極易引起顯示屏的閃爍。
5 結(jié)束語
通過本設(shè)計我們可以看到，利用計算機并口的EPP模式結(jié)合CPLD設(shè)計數(shù)字電子系統(tǒng)，可以將大量繁雜工作交給軟件承擔(dān)，利用計算機強大的開發(fā)環(huán)境來完成。本文作者創(chuàng)新點：提出了一種有助于減小系統(tǒng)設(shè)計難度、縮短開發(fā)時間的設(shè)計方式，同時可以得到友好的人機界面和方便的操作。這種設(shè)計方法具有一定的通用性，對需要使用CPLD的電子設(shè)計，尤其是實驗教學(xué)具有一定的參考價值。
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