基于51單片機(jī)和可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)LED顯示屏的硬件設(shè)計(jì)

0 引言

LED顯示屏主要由電流驅(qū)動(dòng)電路及LED點(diǎn)陣陣列、控制系統(tǒng)和PC端管理軟件三部分構(gòu)成（圖1）。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)換和處理各種外部信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)掃描控制，然后驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣顯示需要的文字或圖案?？刂葡到y(tǒng)作為L(zhǎng)ED顯示屏的核心部分，直接決定了顯示屏的顯示效果和性能的優(yōu)劣。本文詳細(xì)分析采用Verilog HDL對(duì)ATF1508AS進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)雙口RAM訪問(wèn)和產(chǎn)生LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路所需的各種時(shí)序信號(hào)。

1  LED顯示屏的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)采用單片機(jī)+CPLD的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)控制系統(tǒng)可分為：信號(hào)接收及處理模塊和CPLD的掃描控制模塊和LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊，如圖1 所示。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是使用雙口RAM和CPLD芯片，解決LED顯示屏中高速數(shù)據(jù)傳輸和快速掃描控制的難題，大大提高了動(dòng)態(tài)顯示的刷新率。

信號(hào)接收與處理模塊的功能是AT89S52單片機(jī)通過(guò)串口接收PC送來(lái)的點(diǎn)陣信息，同時(shí)對(duì)點(diǎn)陣信息做各種不同的處理。利用雙口RAM IDT7007在單片機(jī)和ATF1508AS之間以共享的方式建立高速的數(shù)據(jù)交換通道。

CPLD的掃描控制模塊采用ATF1508AS芯片實(shí)現(xiàn)。其功能是從雙口RAM讀取點(diǎn)陣信息，串行化后送顯示掃描驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)輸出各種所需的控制信號(hào)。CPLD具有掃描速度快，延時(shí)短等特點(diǎn)，克服了單片機(jī)由于傳輸速率慢而造成在大屏幕顯示時(shí)產(chǎn)生的閃爍效應(yīng)。

2  基于CPLD的掃描控制模塊的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

本模塊的功能是從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸送到顯示屏體上，同時(shí)產(chǎn)生各種控制信號(hào)。時(shí)序產(chǎn)生模塊由兩部分構(gòu)成，一是產(chǎn)生訪問(wèn)雙口RAM的時(shí)序，二是產(chǎn)生LED顯示屏接口所需的各種信號(hào)。

硬件電路我們采用較常見(jiàn)的CPLD芯片ATF1508來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的時(shí)序產(chǎn)生部分。CPLD是一種具有豐富的可變成I/O引腳的可編程邏輯器件，不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而獨(dú)特的時(shí)序邏輯功能。軟件我們采用Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。Verilog HDL是用于邏輯設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言，已成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。利用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)ATF1508AS進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)掃描控制模塊所需的功能。

掃描控制部分的原理電路如圖2所示，ATF1508AS是核心部分，需要根據(jù)系統(tǒng)需要定義ATF1508AS的各個(gè)I/O端口，下面是I/O端口定義和內(nèi)部寄存器定義的Verilog HDL語(yǔ)言代碼。

module LedSequ(color, datain, addrout, CE, OE, SEMR, RWC, sdr, sdb, sck, le, oe1, cs, clk, counter);
input clk;  //系統(tǒng)時(shí)鐘
input[7:0] datain;//RAM數(shù)據(jù)輸入
input[1:0] color;//顏色控制
output[13:0] addrout;//地址輸出口
output SEMR,RWC;
output CE,OE,sdr,sdb,sck,le,oe1,cs;
output[3:0] counter;
reg[3:0] hcnt;//38譯碼器計(jì)數(shù)器
reg [7:0] data1;//數(shù)據(jù)寄存器
reg[3:0] counter;//38翻碼器輸出端
reg SEMR,RWC;
reg SDA,SDC;
reg[13:0] addrout,addr;//addr地址計(jì)數(shù)器
reg[3:0] state;// 狀態(tài)寄存器
reg [2:0] shcnt;  //移位脈沖讀數(shù)器
reg CE,OE,sdr,sdb,sck,le,oe1,cs;
reg [8:0] byte;
parameter s0=1'd0,s1=1'd1,s2=1'd2,s3=1'd3, s4=1'd4, s5=1'd5; //狀態(tài)常量

[!--empirenews.page--]

2.2 訪問(wèn)雙口RAM時(shí)序的產(chǎn)生

IDT7007是具有32KB的雙口RAM電路，與ATF1508AS的連接電路如圖2所示，其中： 為片選信號(hào)， 為讀寫控制信號(hào)， 為輸出使能信號(hào)，A0R-A13R為右端口地址總線，D0R-D7R為右端口數(shù)據(jù)總線，其右端口讀寫時(shí)序如圖4所示。我們采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其基本工作原理是：S0狀態(tài)進(jìn)行初始化，S1狀態(tài)時(shí)ATF1508AS首先輸出地址信號(hào)addrout，然后置 相有效，S2狀態(tài)讀取雙口RAM的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到內(nèi)容寄存器datain中，從而完成雙口RAM的讀數(shù)據(jù)過(guò)程。下面給出ATF1508AS讀取雙口RAM數(shù)據(jù)的主要代碼：

always @ (posedge clk)
begin //每個(gè)時(shí)鐘周期,狀態(tài)變化一次
  case(state)
  s0: begin      //初始化狀態(tài)
 CE=1'b0;     //IDT7007片選
 OE=1'b1;     //IDT7007讀選通
 le=1'b0; 
 oe1 = 1'b0;
 cs  = 1'b0;
 addr= 14'b0;
 SEMR=1'b1;   //IDT7007 置1有
 RWC = 1'b1;  //寫控制 1
 hcnt=4'b0000;
 counter=4'b0000;
 state=s1;
    end
s1: begin  //輸出RAM地址
 CE=1'b0;
 addrout=addr;//輸出地址
 OE=1'b0;
 SEMR=1'b1;
 RWC = 1'b1;
 shcnt = 3'b000;
 state=s2;
end
 s2: begin //讀雙口RAM數(shù)據(jù)
 oe1=1'b0;
        data1 = datain;
        state=s3;
  end
 ……(顯示掃描及LED驅(qū)動(dòng)代碼部分)
    endcase
  end

[!--empirenews.page--]

2.3  LED顯示驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生

CPLD 與LED點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)電路接口如圖  所示，其中：CS為3-8譯碼器片選信號(hào)；OE為BMI5026輸出使能信號(hào)，控制LED點(diǎn)陣是否能被點(diǎn)亮；LE為驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)；sck為移位脈沖，將CPLD串行輸出的紅綠數(shù)據(jù)串行移入MBI5026（移位寄存器）；A-D為雙3-8譯碼器構(gòu)成的4-16譯碼器的數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)顯示行選通控制； sdr為紅數(shù)據(jù)信號(hào)線；sdb為綠數(shù)據(jù)信號(hào)線。

其工作過(guò)程為：S3狀態(tài)，sck脈沖置0，sdr和sdb分別輸出一位數(shù)據(jù)；S4狀態(tài)時(shí)，sck置 1，紅和綠數(shù)據(jù)分別移入相應(yīng)移位寄存器BMI5026，若不足8位時(shí)，返回S3狀態(tài)，若不足一行時(shí)，返回S1狀態(tài)，讀下一個(gè)字節(jié)，若完成一行數(shù)據(jù)移位過(guò)程，則轉(zhuǎn)S5狀態(tài)；S5狀態(tài)時(shí)，置le為0，將BMI5026的緩沖寄存中一個(gè)顯示行的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)送輸出寄存器，同時(shí)置cs1有效，控制第hcnt行的點(diǎn)陣顯示，然后判斷一屏內(nèi)容是否顯示完成，返回s1狀態(tài)。圖4為完整的有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖。

下面給出LED顯示屏體驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)對(duì)應(yīng)的Verilog HDL程序代碼：
  
 s3: begin
  sck=1'b0;
        sdr= SDA && color[0];
        sdb= SDC && color[1];
        OE=1'b1; CE=1'b1;
     state=s4;
     end
 s4: begin // 移位輸出到LED顯示屏
  sck = 1'b1;
  shcnt = shcnt +1'b1;
  if (shcnt = = 0)
    begin
     addr=addr+1'b1; //讀完一個(gè)字節(jié)地址記數(shù)器加1
     byte=byte+8'b1;
     if(byte= = nrow)// 如果讀完一行數(shù)據(jù)
       begin
         oe1=1'b1;//關(guān)LED顯示
   cs=1'b1;
   le=1'b0;//驅(qū)動(dòng)芯片寫入數(shù)據(jù)
   byte = 8'b0;
   state=s5;//讀完一行數(shù)據(jù)則顯示
       end
    else state=s1;
   end
   else state=s3; //當(dāng)前字節(jié)移位輸出
 end
 s5: begin
           sck=1'b0;
le=1'b0;
     counter=hcnt;
     OE=1'b1;
     CE=1'b0;
           if(addr = = nscreen)
               addr=0;
          oe1=1'b0;
     cs=1'b0;
     state =s1;
       end

4系統(tǒng)測(cè)試及仿真

系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試環(huán)境是：?jiǎn)纹瑱C(jī)部分在KeilC51下調(diào)試，CPLD部分在Maxplus10下調(diào)試。LED顯示屏的掃描控制模塊的Verilog HDL源程序編寫完成后，在ALTERA公司Maxplus10可以先進(jìn)行軟件仿真，以觀察各信號(hào)是否符合硬件電路所需的時(shí)序要求。圖5為掃描模塊 CLPD仿真結(jié)果，符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)JTAG接口下載到ATF1508AS后，系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Verilog HDL實(shí)現(xiàn)的LED顯示屏掃描控制模塊，應(yīng)用于我們開發(fā)LED大屏幕電子信息顯示屏系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高性了性價(jià)比。該LED顯示屏在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的顯示效果，畫面清晰、性能穩(wěn)定，已經(jīng)在學(xué)校的多個(gè)部門得到應(yīng)用。