基于FPGA控制的LED漢字滾動(dòng)顯示器設(shè)計(jì)

O 引言
    現(xiàn)代文明的一個(gè)顯著特征是城市中隨處可見(jiàn)的五顏六色的廣告宣傳，其中大多都是由LED點(diǎn)陣制作的漢字或圖形廣告，廣泛應(yīng)用在銀行、醫(yī)院、酒店、火車(chē)站、體育場(chǎng)館等各種公共場(chǎng)所。
    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(lái)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(lái)對(duì)設(shè)計(jì)的變更和升級(jí)，總是要付出較多研發(fā)經(jīng)費(fèi)和較長(zhǎng)投放市場(chǎng)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(shì)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(kāi)發(fā)軟件，例如QualtusⅡ軟件，將硬件描述語(yǔ)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(chǎng)可編程門(mén)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(kāi)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(yáng)極(或陰極)，每一列上的發(fā)光管有一個(gè)公共的陰極(或陽(yáng)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(jué)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(jiǎn)單說(shuō)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(yáng)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(lái)，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(chǔ)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(duì)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(lái)存儲(chǔ)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(hào)選擇對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)移位時(shí)鐘CLK_YW的計(jì)數(shù)，也是對(duì)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(guò)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。[!--empirenews.page--]
3．2 ROMZI模塊
    利用LPM參數(shù)化模塊庫(kù)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(chǔ)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(kāi)心快樂(lè)”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(guò)每來(lái)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(lái)時(shí)送出移位后的新字模。通過(guò)8次移位，可將一個(gè)漢字移出點(diǎn)陣平面，按類(lèi)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(hào)。設(shè)計(jì)中需要16個(gè)移位時(shí)鐘，通過(guò)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(duì)第一行字模的處理為：
   
    其他行可按相同方法處理，具體參見(jiàn)如下的程序：


    右移處理方法與上面左移相反，如對(duì)第一行可按如下方法處理：

    [!--empirenews.page--]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(hào)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(duì)于L80，在漢字移進(jìn)LED過(guò)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(duì)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(hào)，連接至點(diǎn)陣的8個(gè)行；DATA[7．．0]為行掃描時(shí)對(duì)應(yīng)的列輸出字型碼，對(duì)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(guò)了仿真驗(yàn)證，最后對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。將設(shè)計(jì)載入KH31001開(kāi)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(shuō)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(duì)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(chǔ)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(lái)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(lái)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(lèi)推。

6 結(jié)語(yǔ)
    本文在KH31001開(kāi)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(yǔ)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(kāi)心快樂(lè)”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(duì)控制邏輯和連接關(guān)系做適當(dāng)?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(hù)和修改是極其方便和容易的，本文對(duì)同類(lèi)設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。