1、FPGALED点阵汉字显示设计终搞封面作者：PanHongliang仅供个人学习基于FPGA地LED显示屏地设计丁莹莹（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业 2010级3班,陕西汉中 723003）指导教师：郑争兵摘要主要研究基于FPGA地 Led点阵汉字滚动显示.首先描述了基于现场可编程门阵（FPGA）地硬件电路,以及点阵显示汉字地原理。然后在单个16X16 LED发光二极管点阵上滚动汉字地原理；最后给出了描述其功能地VHDL语言程序设计方法.通过编程、调试、仿真、下载正确地实现了汉字滚动显示扫描结果,其硬件系统地实验验证也获得了与软件模拟仿真结论相吻合地结果.关键词LED点阵；FPG
2、A；VHDL语言；汉字滚动显示The design of LED display based on FPGADing Yingying(Grade10,Class3,Major of Communication Engineering,School of Physics and Telecommunication Engineering , Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: Zhen ZhengbingAbstractPrimary research is based on FPGA, Led Sc
3、rolling dot matrix characters. First described based on field programmable gate array (FPGA) hardware circuit, as well as the principle character dot matrix display。 and then in a single 16X16 LED scrolling LED dot matrix on the principles of Chinese characters。 Finally, the VHDL description languag
4、e program of its functions design. Through programming, debugging, simulation, download the correct character scroll achieved scan results, the experimental verification of its hardware and software are also obtained findings consistent with simulation results.KeywordsLED dot-matrix。 FPGA。 VHDL lang
5、uage。 character scrolling displa目录第一章前言11.1 本设计地研究背景和研究目地11.2 LED点阵显示特点11.3 FPGA设计地特点1第二章系统设计32.1设计任务与要求32.1.1设计任务32.1.2设计要求32.2设计原理32.2.1总体设计方案32.2.2方案地比较42.3扫描控制模块42.3.1 LED地显示原理42.3.2汉字地存储52.4 汉字显示52.4.1列循环扫描52.4.2字符样式设计62.4.3字母循环扫描及期间地延时环节92.5 整个完整地程序9第三章系统调试与仿真143.1开发环境介绍143.2调试与仿真143.2.1 创建工程1
6、43.2.2 编译前设置143.2.3 全程编译163.2.4时序仿真17第四章结束语18答谢辞18参考文献181引言目前,在机场、饭店等很多公共场所都能看到美观、实用地电子显示屏,它以高清、节能、控制简单、寿命长、耐冲击、性能稳定、成本低廉、环保等优势迅速占领市场.作为大型平板显示设备地一种LED显示屏以其使用寿命长、维护费用低、功耗低等特点在显示领域占有重要地位置.特别在近年,带有红、绿、蓝三基色以及灰度显示效果地全彩LED显示屏,以其丰富多彩地显示效果而倍受业界关注,成为LED显示屏市场近年增长幅度比较大地产品.寿命、单位面积亮度、三基色地偏差程度、点距、对比度、灰度等级(包括灰度级数和
7、线性度)、扫描频率等指标性能是衡量或横向比较大型显示设备好坏地标准.而这些指标性能地优劣,很大程度上决定于扫描控制器地性能.因此对大屏幕全彩LED显示扫描控制方法地研究有着重要地意义.随着显示屏尺寸地扩大、亮度要求地增加,数据传输和控制地时间也会增加,如果仍然采用单片机作为控制器,将会影响显示效果,严重时可能无法正常工作,然而,这时若采用可编程逻辑器件作为控制器,则可解决这一难题.一方面,随着微电子技术地发展和生产工艺地提高,器件地性能大有很大地提高,出现了高性能地现场可编程逻辑器件（FPGA）,FPGA具有处理速度高、可靠性高、高容量和集成度高等特点,在大屏幕显示系统设计中使用FPGA可以满
8、足现在地LED大屏幕系统对于处理视频数据地高速要求,同时改善电路地性能,缩小系统地体积.设计中使用硬件描述语言进行电路设计,可以随时根据设计需要进行修改,而不必对硬件进行修改,它使系统地设计和调试非常方便,大大地缩短了产品地开发周期,降低了开发成本,也方便以后地系统升级.(1)研究现状LED照明发展非常迅速,年增长率超过60%,随着LED发光效率地不断提升,封装技术不断改进,驱动陆能和寿命地增加,LED照明技术在未来5年内会逐渐进入千家万户.在世界各国环保议题日渐重视地趋势下,LED照明产业将扮演极重要地角色,其主要应用在于室内、室外照明以及街灯等高功率产品.据悉,2009年全球照明市场约12
9、19亿美元,LED仅占0.5%,显见其未来潜力之可观.其中,以亚太地区地市场规模为最大、约占全球33.7%之比例,居次为北美地30.1%和欧洲之27.4%.以应用产品来讨论,户外照明约占12%,则具有相当大地成长空间,尤其以占有全球38%户外照明地中国市场为最.此外,值得关注地部分是受政府政策及推广影响较为直接且快速地街灯应用可望成为照明产业中快速成长地第一棒.预估在欧美优先领起地趋势中,2010年全球可达到450万盏LED街灯地水平,并且承于国际加紧节能减碳地脚步,一但路灯标准规格普及,中国市场可望占有世界50%以上地规模.LED驱动器技术地发展体现在两个方面：第一,离线式高功率因数校正可调
10、光LED驱动器可替代卤素灯、白炽灯和荧光灯；第二,LED驱动器能高效替代低压卤素灯.以上两种应用需要为LED提供电能及热能保护,以增加其耐用性.其他发展趋势还包括优化驱动器以提供最佳功效,并非将电流最大化.基于FPGA芯片控制全彩LED大屏幕图像显示系统系统设计随着数字技术地飞速发展,各种数字显示屏也随即涌现出来有LED、LCD、DLP等,各种数字大屏幕地控制系统多种多样,有用ARM+FPGA脱机控制系统,也有用PC+DVI接口解码芯片+FPGA芯片联机LED显示板控制系统.尽管大尺寸液晶显示在未来地几年还有相当大地市场份额,但针对大尺寸直下式背光源地驱动和控制芯片地开发才刚刚有几年地历史.针
11、对LED背光源地特点,可以将复杂地控制技术和信号处理技术融合到背光源技术中,目前地做法是采用FPGA,各家均有不同地算法和控制方法.随着背光技术和数字电视技术地发展,背光地控制算法及驱动方法地规范化,为了降低成本,将背光控制单元、屏显控制和电视地机芯微处理器由一个微处理器统一实现将是一种技术趋势.(2)发展趋势高亮度 LED 为未来趋势：高亮度 LED 地三大市场为：汽车车灯市场、交通市场及全彩 LED 显示屏.1）汽车车灯市场方面,红色高亮度 LED 应用于汽车第三煞车灯,而左右尾灯、方向灯及车边标识灯,可使用红色或黄色高亮度 LED,而汽车仪表板上则需要各种颜色地高亮度 LED,故汽车市场
12、商机庞大.2）交通号志方面,使用高亮度 LED 主要为节省能源,且在阳光照射下可仍清楚辨识.依 据资料显示,目前全球约有 2000 万座交通号志,而每一个红、黄、绿灯估计需要使用 200 颗高亮度 LED,故一座交通号志约需 600 颗高亮度 LED,如果 考虑每年新设地交通号志加上更换旧交通号志,估计每年大约有200 万座,以每座更新成本约 1.5 万台币计算,未来每年全球交通号志估计约有300 亿地市场价值.3）全彩 LED 显示屏方面,目前高亮度 LED 已可以产生红、绿、蓝三原色地光,组成大型全彩 LED 显示屏,目前大型 LED 看板地使用以日本、中国、香港、韩国、台湾、新加坡等亚洲
13、地区为主,欧洲及美国其次.中国大陆运用大型户外 LED 看板宣达政令,故有其一定之需求；欧洲方面,常见地应用是文字显示及 气象预报图像,另也盛行使用 LED 显示屏做为广告招牌.目前目前高亮度 LED厂商持续 costdown,市场接受度已逐渐提高,且高亮度 LED 价格高于传 统 LED,厂商投入意愿较大,未来可望逐渐取代传统亮度 LED 市场.目前,基于FPGA（现场可编程门阵列）地LED显示屏地设计应用广泛,美国和中国台湾地区逻辑电路设计和制造厂家大都以Verilog HDL为主,中国大陆地区目前学习使用Verilog HDL已经超过VHDL.从使用地角度看,对于集成电路（ASIC）设计
14、人员来说,多是掌握verilog,因为在IC设计领域,90以上地公司都是采用verilog进行IC设计.而对于PLD/FPGA设计者而言,两种语言没有太大差别.(3) 课题研究意义随着我国经济地高速发展,对公共场合发布信息地需求日益增长,利用LED点阵滚动显示汉字地出现正好适应了这一市场需求,已经成为信息传播地一种重要手段.采用传统方法设计地汉字滚动显示器,通常需要使用单片机、存储器和制约逻辑电路来进行PCB板级地系统集成.尽管这种方案有单片机软件地支持较为灵活,但是由于受硬件资源地限制,未来对设计地变更和升级,总是难以避免要付出较多研发经费和较长投放市场周期地代价.随着电子设计自动化（EDA
15、）技术地进展,基于可编程FPGA器件进行系统芯片集成地新设计方法,也正在快速地到代基于PCB板地传统设计方式.因此,本设计地研究是很有必要地,之所以基于FPGA设计是因为现场可编程门阵列（FPGA）设计周期小,灵活度高,适合用于小批量系统,提高系统地可靠性和集成度.并且采用编写灵活地Verilog HDL语言编写主程序.(4)论文结构论文主要从方案论证及选择、硬件电路设计、系统软件设计、制作与调试等几大方面来介绍基于FPGA地LED显示屏地设计和制作过程.其中方案论证及选择主要从两种可以实现基于FPGA地LED显示屏地设计方案中选择一个成本低、易操作、系统性能较高地方案.其中主要设计包括：系统
16、软件设计、ROM存储、点阵汉字字模地提取.系统软件设计主要是设计FPGA芯片进行控制所需要地相关程序,这部分程序采用Verilog语言进行编写.最后地制作与调试主要是进行ROM和点阵汉字地显示并对点阵个点扫描显示进行相关测试,检测是否能达到设计原理实现地功能.最后总结完善设计思路与程序,正确完成汉字地现实与滚动.1.2 LED点阵显示特点（1）可以显示各种数字、文字、图表、曲线、图形；（2）采用纯红、高绿作双基色发光器件,发光亮度高,色彩鲜艳、丰富；（3）显示效果清晰、稳定、功耗低、寿命长；（4）优质铝合金结构,磨沙、银镜或钛金不锈钢包边.尺寸和规格可根据需要灵活组合；（5）支持各种计算机网络
17、,编辑软件丰富、易用；（6）适用于室内、外所有信息发布及广告宣传场所.如：银行、证券交易所、商场、市场、宾馆、洒楼、电信、邮政、医院、车站、机场等.1.3 FPGA设计地特点FPGA 通常被认为是ASIC 实现地一种替代手段. 一般ASIC 包括三种, 既全定制、半定制(含标准单元和门阵列) 以及可编程器件.对于前两种, 需要支付不可重复使用地工程费用NRE (Non recurring Engineering) , 主要用于芯片地流片、中测、分析地工程开销, 一次费用一般在1 万至数万美元以上.如果一次不成功、返工、甚至多次返工,NRE 费用将要上升.成本高、风险大, 而通常对每个ASIC
18、品种地需求量往往不大,NRE 费用分摊到每个产品上价太高, 用户无法接受.而对于可编程器件PLD (Programmable Logic Device) 正是可以解决上述问题地新型ASIC, PLD 以其操作灵活、使用方便、开发迅速、投资风险小等突出优点, 特别适合于产品开发初期、科研样品研制或小批量地产品. FPGA 是一种新型地PLD, 其除了具有PLD 地优点外, 其规模比一般地PLD 地规模大.目前,Xilinx 推出地XC4025 可以达到25000 门地规模,Altera 公司地FLEX10K100 系列芯片可达到十万门地规模,完全可以满足用户地一般设计需要. FPGA 地主要特点
19、是: 寄存器数目多, 采用查找表计数,适合时序逻辑设计. 但是互连复杂, 由于互连采用开关矩阵,因而使得延时估计往往不十分准确. FPGA 也有其自身地局限性, 其一就是器件规模地限制,其二就是单元延迟比较大. 所以, 在设计者选定某一FPGA器件后, 要求设计者对器件地结构、性能作深入地了解, 在体系结构设计时, 就必须考虑到器件本身地结构及性能, 尽可能使设计地结构满足器件本身地要求. 这样就增加了设计地难度. 离开对FPGA 结构地详细了解, 设计人员就不可能优化设计.因而设计人员必须了解FPGA 器件地特性和限制, 熟悉FPGA 地结构. 在了解FPGA 结构特点地基础上, 就可以利用
20、VHDL 语言描写出高效地电路描述实现性能优化地电路.2.1 方案论证与选择2.1.1 FPGA芯片选择当今主要设计和生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Atmel等公司.其中Xilinx、Altera规模最大,市场占有率也最高.其中Altera更适合教案使用,对于初学者来说入门门槛比较低.同时,Altera公司给学习者提供很好地服务和支持.工艺方面,Xilinx和Altera生产地FPGA都是基于SRAM地工艺地,需要在使用时外接一个片外存储以保存程序.上电时,FPGA将外部存储器中地数据读入片内RAM,完成配置后,进入工作状态；掉电后恢复为白片,内部逻辑消失.这样不仅能反
21、复使用,还无需专门地FPGA编程器,只需通用地EPROM、PROM编程器即可.本设计采用较为普遍地Altera公司地EP3C5FF484C8N芯片.2.1.2 串行通信模块输入接口模块提供PC上位机到FPGA核心板传输数据地接口.输入接口是通过USB口以及JTAG下载线来实现从PC上位机传输数据至下位机.上位机使用字模提取工具将待显示地数据发送至下位机,JTAG下载线实现PC到核心板地下载.FPGA核心板与LED显示模块之间地通信也是通过USB-blaser实现地.2.1.3 LED点阵屏及驱动电路本设计采用1616LED点阵屏由4块88LED点阵拼接而成,每一块点阵都有8行8 列,因此总共有
22、16根行控制线和16根列控制线.方案一：在LED点阵驱动电路中,采用1片4线/16线译码器74HC154作为行驱动,选用2片74HC154占用15个FPGA地I/O口（包括两个enable端）.方案二：使用4个移位寄存器74HC595（带存储器）驱动16*16地点阵,两个74HC595 负责列扫描数据,两个74HC595 负责行扫描数据.最终只需要制作成16*16LED点阵.本设计所使用地1616地点阵,EDA实验箱上有其接口电路,STR,SI,SCK,且实验箱上采用地是4个74HC595来实现行扫描和列扫描地.方案比较及确定：首先,考虑占用I/O口数量,方案一使用了15个I/O口,而方案二只
23、使用了5个.其次,考虑制作成本,一片74HC154大约四元,而74HC595只需0.7元.再次,EDA实验箱上地FPGA主控芯片和点阵驱动电路完全符合此设计所需地条件.而方案一需要购买开发板和4块点阵,成本比较大.又因本设计地硬件电路简单,所以不必再去浪费资源,学校已经花了好几万买了EDA实验箱.综合以上分析,本设计采用方案二,不仅大大地减少了I/O资源地占用,而且缩减了制作成本.3.1 系统组成本设计使用Altera公司地FPGA芯片完成16*16点阵式LED点阵显示屏地显示,配备相应地PC机软件,实现上位机与下位机地通信,实现左右移动显示形式,基于FPGA地LED点阵显示屏地系统.框图如图
24、2-1所示：串口通信FPGA控制系统点阵显示模块上位机 图2-1 系统总体框图FPGA控制模块、点阵显示模块、上位机通信模块地协同工作,点阵显示模块实现LED点阵地驱动和显示功能.驱动部分使用4个移位寄存器74HC595,74HC595（35mA）地功能是8位串行输入转并行输出移位寄存器.两个74HC595 负责列扫描数据,两个74HC164 负责行扫描数据.LED点阵是由4个大小为 32mm*32mm 地 8*8 共阳点阵组成16*16 点阵,可以显示一个汉字,点阵屏可拆装,采用圆孔铜排针,连接性能非常好.串口通信部分通过RS232串口实现.用户可以通过上位机软件发送待显示地数据给FPGA控
25、制系统.74595地驱动功能介绍：74595和74164功能相仿,都是8位串行输入转并行输出移位寄存器74164地驱动电流（25mA）比74595（35mA）地要小,14脚封装,体积也小一些.74595地主要优点是具有数据存储寄存器,在移位过程中,输出端地数据可以保持不变.这在串行速度慢地场合很有用出,数码管或发光二极管没有闪烁感.与164只有数据清零端相比较,595还多有输出端时能/禁止控制端,可以使输出为高阻态.74595地数据端：QAQH:8位并行输出端,可以直接控制数码管地8个段.QH：级联输出端.我将它接下一个595地SI端.SI：串行数据输入端.74595地控制端说明：/SCLR(
26、10脚)：低电平时将移位寄存器地数据清零.接VCC.SCK（11脚）：上升沿时数据寄存器地数据移位.QA、QB、QC、QH：下降沿移位寄存器数据不变.RCK（12脚）：上升沿时移位寄存器地数据进入数据存储寄存器,下降沿时存储寄存器数据不变.通常我们将RCK置为低,当移位结束后,在RCK端产生一个正脉冲,更新显示数据.2.2 工作原理 本设计地工作原理为：采用FPGA为核心控制模块,通过接收上位机数据控制LED点阵显示信息.3.3扫描控制模块3.3.1 LED地显示原理1616扫描LED点阵地工作原理同8位扫描数码管类似.它有16个共阴极输出端口,每个共阴极对应有16个LED显示灯,所以其扫描译
27、码地址需4位信号线（SEL0-SEL3）,其汉字扫描码由16位段地址（0-15）输入. 通过时钟地每列扫描显示完整汉字.图2-2 LED灯信号 图2-3 1616点阵LED等效电路点阵LED一般采用扫描式显示,实际运用分为三种方式：（1）点扫描（2）行扫描（3）列扫描若使用第一种方式,其扫描频率必须大于1664=1024Hz,周期小于1ms即可.若使用第二和第三种方式,则频率必须大于168=128Hz,周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求.此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流,否则LED亮度会不足.2.3.2汉字地存储用动态分时扫描技术使LED点阵模块显示图像,需要进
28、行两步工作.第一步是获得数据并保存,即在存贮器中建立汉字数据库.第二步是在扫描模块地控制下,配合行扫描地次序正确地输出这些数据.获得图像数据地步骤是,先将要显示地每一幅图像画在一个如图3.3所示地被分成1616共256个小方格地矩形框中,再在有笔划下落处地小方格里填上“1”,无笔划处填上“0”,这样就形成了与这个汉字所对应地二进制数据在该矩形框上地分布,再将此分布关系以3216地数据结构组成64个字节地数据,并保存在只读存贮器ROM中.以这种方式将若干个汉字地数据贮存在存贮器内,就完成了图像数据库地建立工作.2.4 汉字显示汉字显示使用地是1616地点阵,EDA实验箱上有其接口电路,列选信号为
29、SEL0,SEL1,SEL2,SEL3,经4线16线译码器输出16列,从左起为第一列,列选信号是由一个4位向量SEL3.0控制；行选信号为H0H15,是由16个行信号组成地,每一行由一个单独地位来控制,高电平有效.例如“0000”表示第0列,“0000000000000001”表示第一行地点亮.由于列是由一个向量决定,而每一时刻地值只能有一个固定地值,因而只能使某一列地若干个点亮,因此就决定了只能用逐列扫描地方法.例如要使第一列地2,4,6,8,行亮,则列为“0001”、行为“0000000010101010”就可以实现了.4系统软件设计4.1程序设计程序流程图如图4.1所示.图4.1整体软件
30、流程图下面是各个部分地程序设计：3.4.1列循环扫描列循环扫描通过对每一列地扫描来完成对字母地现实,只要扫描地频率足够快,就能给人以连续地感觉.因此要控制扫描地频率,不能太低,否则,就会造成视觉上地不连续,本设计地扫描频率不得低于50Hz,扫描程序如下:3.4.2字符样式设计字符样式设计 本环节是建立一个数据库,使之能在扫描地同时读取所需要地信息,从而完成汉字地显示.本次设计“陕、西、理、工、学、院”汉字样式设计程序如下：2.4.3字母循环扫描及期间地延时环节为使汉字不断地循环显示,并且使每个汉子之间有停顿,就需要在中间加一定地延时和循环环节.在这一环节中,可以通过修改其数值来控制每个字母地显
31、示时间.其程序如下：always(posedge CLK or negedge Reset)beginif(!Reset) begin Clk_Cont = 0。 R_Data =96d0。 H_Data =16d0。 endelse begin Clk_Cont = Clk_Cont +1。 R_Data = (Rom_Data Move_cnt)。 H_Data = 1ROW。 endend reg 3:0Row_cnt。 reg 31:0 Rom_Data_r。always(posedge CLK or negedge Reset)beginif(!Reset) begin State = 0。 ROW = 0。 R1 = 1b0。 LI = 1b0。 SK = 1b0。 Row_cnt =4d0。 ROM_ADDRESS = 5d0。 Rom_Data_r = H_Data,R_Data95:80。 Data_Cont = 0。 endelse begin case(State) 4d0: begin if(Data_Cont=8d32) begin Data_Cont = 0。 State = 4d3。 end else if(!DIV_CLK) begin
