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現代文明的一個(gè)顯著(zhù)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，廣泛應用在銀行、醫院、酒店、火車(chē)站、體育場(chǎng)館等各種公共場(chǎng)所。 漢字滾動(dòng)顯示器的傳統設計方法是用單片機來(lái)控制的，雖然單片機方案具有價(jià)格低廉，程序編程靈活等特點(diǎn)，但由于單片機硬件資源的限制，未來(lái)對設計的變更和升級，總是要付出較多研發(fā)經(jīng)費和較長(cháng)投放市場(chǎng)周期的代價(jià)，甚至有可能需要重新設計。況且，在以顯示為主的系統中，單片機的運算和控制等主要功能的利用率很低，單片機的優(yōu)勢得不到發(fā)揮，相當于很大的資源浪費。 采用EDA技術(shù)的自頂向下的模塊化設計方法，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、內部邏輯和連線(xiàn)資源的FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)中。該技術(shù)具有系統設計效率高、集成度好、保密性強、易于修改、易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，成為當今數字系統設計主流技術(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、開(kāi)發(fā)周期短等顯著(zhù)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(mǎn)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)驗板上提供有1 kHz的時(shí)鐘，本例設計中利用該時(shí)鐘進(jìn)行掃描，使每行掃描時(shí)間為1 ms，實(shí)驗結果顯示亮度合適�，F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(zhù)再送下一行數據，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出來(lái)，然后再反復掃描這8行直至顯示新的信息。以下設計采用行掃描方式實(shí)現滾動(dòng)顯示。 2 硬件原理圖 整個(gè)電路由五大部分組成：時(shí)鐘計數模塊GEL_CLK，存儲漢字字模的ROM模塊ROMZI，數據分配器模塊MUX，移位模塊YW及顯示模塊XIANSH-I。時(shí)鐘計數模塊用于產(chǎn)生整個(gè)電路所需要的時(shí)鐘及其對時(shí)鐘的計數值，例如：移位時(shí)鐘CLK YW，移位計數器CNT YW，字計數器CNT WORD，顯示掃描計數器CNT SM。ROMZI模塊是由QualtusⅡ中的LPM 1PORT ROM定制成，用來(lái)存儲8個(gè)待顯示的漢字。MUX模塊用于在掃描時(shí)鐘及掃描計數器的作用下，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)鐘及移位計數器作用下，根據SELECT信號選擇對讀出的字模信息，進(jìn)行相應的移位(左移、右移、上移、下移)后，最后送顯示模塊DISP驅動(dòng)LED點(diǎn)陣顯示漢字。原理圖如圖2所示。 3 模塊設計及時(shí)序仿真 3．1 時(shí)鐘計數產(chǎn)生模塊 時(shí)鐘計數產(chǎn)生模塊由1 kHz的輸人時(shí)鐘為基準，進(jìn)行17位的循環(huán)計數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，對之進(jìn)行的3位循環(huán)計數作為掃描顯示計數器和取一個(gè)字的字型碼計數器。CNT[16．．O]中的CNT是對該時(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位的移位計數器，是對移位時(shí)鐘CLK_YW的計數，也是對移位位數的統計。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位的取字計數器。 CNT[16…14]＆CNT[2．．O]作為ROM地址發(fā)生器。 3．2 ROMZI模塊 利用LPM參數化模塊庫中單口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，其中存儲待顯示漢字的字模數據，然后按照LPM MegaWizardPlug-In Manager的向導提示，結合設計要求進(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。數據分配模塊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)分別送到數據分配器中的WLl～WL8輸出端。圖4為數據分配模塊在掃描時(shí)鐘作用下讀取的字模數據，比較圖3和圖4可知，仿真結果正確，能滿(mǎn)足題目要求。 3．3 移位模塊YW 移位模塊YW是整個(gè)設計的核心，行掃描實(shí)現左移，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)鐘的計數值，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。設計中需要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。 移位設計參考文獻中有關(guān)移位寄存器的設計，分計數值為“0000"和非"0000"兩部分處理，對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，如對第一行可按如下方法處理： 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設計 顯示模塊DISP是以CNT_SM為掃描計數器，是對1kHz進(jìn)行三位循環(huán)計數，由前述的時(shí)鐘計數產(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，連接至點(diǎn)陣的8個(gè)行；DATA[7．．0]為行掃描時(shí)對應的列輸出字型碼，對外連至點(diǎn)陣的8列。該模塊參考文獻中數碼管動(dòng)態(tài)顯示程序進(jìn)行設計如下： 4 硬件實(shí)現 上述各模塊分別在QualtusⅡ中通過(guò)了仿真驗證，最后對整體設計進(jìn)行了硬件驗證。將設計載入KH31001開(kāi)發(fā)板的Cyclone工系列EPlC6Q-240C8FPGA器件中，實(shí)驗證明漢字滾動(dòng)顯示掃描情況均正常，能夠按照預想進(jìn)行移位顯示，這說(shuō)明。FPGA的內核硬件工作良好，可以正確地實(shí)現所要求的設計功能。 5 系統擴展 本文是針對8×8點(diǎn)陣設計，故每次取8個(gè)字形碼，如果是16×16點(diǎn)陣，將RONZI中存儲的字形碼改為16位，數據線(xiàn)改為16位，一個(gè)漢字需要16個(gè)16位的字形碼，數據分配模塊MUX、移位模塊YW、顯示模塊DISP，均要將輸入輸出數據中的原來(lái)的8位改成相應的16位。掃描及取字型碼計數器CNT_SM應改為CNT計數器的低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位的計數器提供。如用CNT[16．．0]中的14～10位作為該計數器，這可在時(shí)鐘計數器產(chǎn)生單元CLK_GE中應做相應修改，字計數器CNT WORD按照每取16個(gè)字進(jìn)行加1統計。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(xiàn)位數越多，字計數器CNT_WORD應在時(shí)鐘計數器產(chǎn)生單元GE_CLK中，將相應的計數器位數擴展，由CNT計數器的最高位到位15來(lái)承擔。若還是8個(gè)漢字，計數器應為CNT[17．．O]，CNT[17．．15]為字計數器；若為16個(gè)漢字，計數器應為CNT[18．．O]，CNT[18．．15]為字計數器，…，依次類(lèi)推。 6 結語(yǔ) 本文在KH31001開(kāi)發(fā)板上實(shí)現了基于Altera公司的Cyclone I系列FPGA器件EPlC6Q240C8硬件及VHDL硬件描述語(yǔ)言設計的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，給出了系統擴展成16×16點(diǎn)陣漢字滾動(dòng)的改動(dòng)思路。從文中描述的系統擴展方案中看出，當系統顯示字符個(gè)數變化時(shí)，只需對控制邏輯和連接關(guān)系做適當的修改，再將修改完成的程序下載到器件即可，顯然，系統的維護和修改是極其方便和容易的，本文對同類(lèi)設計也具有一定的參考價(jià)值。 |
