毕业设计（论文）-可编程提示信号显示器.doc

目 录 一、前言1 二、系统需求分析与原理设计2 （一）系统需求分析.2 （二）系统原理设计.2 三、方案论证与可行性分析3 （一）系统的总体结构.3 （二）硬件结构方案.3 1方案一.3 2方案二.6 3方案比较和选择.8 （三）字符发生方案.8 1手工绘制字符.8 2计算机汉字库编辑字符.10 四、fpga 板设计.11 （一）复位系统.11 （二）时钟系统.12 （三）jatg 下载和配置 12 （四）多路控制开关.13 （五）状态指示.13 五、可编程显示字符的 vhdl 设计与仿真.13 （一）列驱动产生.13 （二）行驱动产生.15 （三）时钟分频.16 1 （四）显示字符库的设计.17 （五）字符的循环控制.18 1左右移动字符的程序.18 2上下移动字符的程序.18 （六）字符显示的接口设计.20 六、系统调试与结果分析21 （一）测试环境.21 （二）功能测试方法与步骤.21 1硬件测试.21 2软件测试.21 （三）性能测试结果与分析.21 七、系统功能扩展21 八、结束语21 感谢辞.22 参考文献.22 可编程提示信号显示器 一、前言 可编程设计是近年以来在电子设计领域中出现的一门新技术，它以可编程器件 （cpld/fpga）为基础，应用计算机软件技术，对数字系统进行设计，改变了以往以板级设 计的电子设计模式为芯片级设计的模式。由于大规模电路的发展使得芯片设计变得容易，同时 也缩小了线路板的面积，增强了可靠性。目前可编程技术已经得到了非常广泛的应用，涉及到 人类生活的各个方面。可编程技术其中的一个方面就是可编程提示信号的显示，也即可编程字 符（图案）的显示。 2 可编程字符（图案）显示，是指显示的字符或图案可以通过编制程序的方法进行灵活变换。 这些显示的内容是预先编程好的，再由可编程逻辑器件构成控制电路使要显示的内容按照一定 的规律显示出来。在人们生活中，我们经常可以看到可编程字符(图案)显示的应用，例如列车 时刻表显示屏，商品广告显示屏以及彩灯图案的显示等。 可编程逻辑器件（programmable logic devices，简称 pld）是一种用户根据需要而自行 构造逻辑功能的数字集成电路。它的基本设计发法是借助于 eda 软件，用原理图、状态机、 布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后再由编程器或下载电缆，用目 标器件实现。 这种利用 pld 内建逻辑结构，由用户配置来实现任何组合逻辑和时序逻辑功能的器件， 最初被视为分立逻辑电路和中小规模集成电路的替代物，随着设计技术和制造工艺的完善，器 件性能、集成度、工作频率等指标不断提高，pld 的应用范围越来越广，目前它已成为数字 asic 设计的主流。 随着片上系统（soc）时代的到来，包括复杂可编程逻辑器件（cpld）和现场可编程门 阵列（fpga）的可编程 asic 器件，不仅能满足片上系统设计的要求，而且具有系统内可再 编程的独特优点，尤其是速度快、密度大和性能好的 fpga 正日益成为系统的关键部件，可编 程片上系统（system on a programmable chip）的应用也越来越广泛。可编程 asic 设计技 术引起电子系统设计技术的巨大变革和飞速发展，已成为现代电子系统设计的核心技术之一。 可编程 asic 器件经过几年的发展，芯片规模、密度、性能有了惊人的变化。可编程 asic 器件成为计算机应用、通信技术、自动控制、仪器仪表等领域广受技术人员欢迎的器件， 它是科学实验、样机试制、小批量生产的最佳选择。 可编程 asic 芯片经历了 pal、gal、fpga 和 cpld 几个发展阶段。半导体工艺已经由 微米发展到深亚微米，集成度由最初的几十门发展到现在的几百万门，甚至上千万门。 目前，可编程 asic 器件主要是指 cpld 和 fpga 器件，并被应用在不同的高科技研发领 域，如数字电路设计、微处理器系统、dsp、电信、可重构计算机及 asic 设计。由于可编程 逻辑器件以 eeprom、sram、或 flash 工艺为基础，用户可以通过计算机对芯片进行编程， 大大降低成本和缩短开发时间。 随着大量电子仪器、设备的多功能化，智能化，并且普遍地采用人机对话方式，需要能够 更为丰富的信息和通信性较强的显示器，常见的显示器件是发光二极管（led） 。 由于led在 众多显示器件中，具有亮度高、寿命长、响应快、价格便宜等优点，已被广泛用于大屏幕字符 显示器件中。作为信息传播的一种重要手段，发光二极管显示屏近年来也广泛应用于室内户外 公众场合，如需要进行服务内容、服务宗旨宣传和发布信息公告的电信及邮政大厅、证券营业 部、期货交易部、车站、机场、港口、体育场等，发光二极管显示屏已经成为信息社会的一个 闪亮标志。而led点阵又是一种简单的汉字显示器件，具有价廉、易于控制实现、使用寿命长 等特点，广泛应用于各种公共场合，如车站、机场公告、公共汽车显示排等。 本设计正是介绍了一种以现场可编程逻辑器件（fpga）为核心，用fpga通过max- plus2开发平台结合硬件描述语言（vhdl）来实现字符显示的方法。 二、系统需求分析与原理设计 （一）系统需求分析 提示信号显示系统的主要功能是字符的发生和显示，如显示 4 个以上的字符（如“欢迎光临” ） 或一幅活动的画面（如鸟飞、花开等） 。用户通过改变存储器中存储的代码输出来控制二极管 led 点阵显示屏，从而显示出不同的字符或图案以满足设计要求，并且设计电路应尽量简单，容易实 现，显示效果要好。它广泛应用于人们的日常生活之中，给人们带来了很多便利，例如列车时刻 表的显示、商品广告屏的显示以及彩灯图案的显示等。作为信息传播的一种重要手段，提示信号 显示器近年来也广泛应用于室内户外公众场合，如需要进行服务内容、服务宗旨宣传和发布信息 公告的电信及邮政大厅、证券营业部、期货交易部、车站、机场、港口、体育场等，可编程提示 3 信号显示器已经成为信息社会的一个闪亮标志。 （二）系统原理设计 根据上述的功能分析，设计实现的基本工作原理可设计为：当时钟脉冲输入时，地址计数 器进行计数，存储器对应的地址单元中的代码输出，以驱动列选线产生电路。地址计数器同时 又为行选线产生电路提供地址线，再由行选线和列选线产生电路控制led点阵，显示屏逐行扫 描，从而使显示屏上显示出字符或图案。可编程字符（图案）显示器的组成框图如图1所示。 其中存储器用于存放各种字符或图案，它是字符显示器的核心部件。 发光二极管显示屏用来显示字符或图案，由于它是由若干个发光二极管组成的点阵式显 示屏，因此需要在行选通线和列选通线的控制下才能显示出字符或图案。提供行选通线和列选 通线的电路分别称为选通线产生电路和列选通线产生电路。 地址计数器为存储器提供地址线，它的计数脉冲由时钟脉冲源提供。在时钟脉冲的作用 下，地址计数器计数，存储器中对应的地址单元中的代码输出，以驱动列选通线产生电路。地 址计数器同时又为行选通线产生电路提供地址线，随着地址计数器数值的变化，发光二极管显 示屏逐行扫描，显示屏上显示字符或图案。 地址计数器 存储器 列选线产生电路 点阵显示屏 行选线产生电路 时钟脉冲源 图 1 可编程字符（图案）显示器的组成框图 三、方案论证与可行性分析 （一）系统的总体结构 根据上面的原理设计系统应具有以下单元功能模块： 1.存储器 2.数据显示器 3.列选线/行选线产生电路 4.地址计数器和时钟脉冲源 5.字符程序设计 根据可编程提示信号显示器的原理以及其对各个功能模块的不同要求，结合实际情况硬件 部分我考虑到有两种实现方案：方案一是针对可编程显示字符的要求先用 protel 99se 的原理 图设计模块（schematic 模块）来设计 eprom 存储器，列选线/行选线产生电路，时钟脉冲 源及地址计数器等功能模块，然后根据原理图生成印刷电路板（pcb）从而完成硬件设计；方 案二则是用一个可以应用在不同电路上通用的 fpga（现场可编程器件）板通过 max-plus2 开发平台结合硬件描述语言来实现字符显示。 软件部分主要是字符显示程序的设计，这个功能模块要使用软件编程来完成，可以采用手 工绘制字符编辑代码或者计算机汉字库编辑字符代码。字符设计模块使用软件编程方式要比硬 4 件电路简单的多，实现也很容易。 下面就两种不同的硬件实现方案和软件部分分别进行具体分析。 （二）硬件结构方案 1方案一 可以使用全硬件电路来完成存储器，列选线/行选线产生电路，时钟脉冲源及地址计数器等 功能模块，其目的就是充分利用硬件电路的可靠性、稳定性，使整体电路达到比较高的稳定性。 例如如果采用 4 个 8 8led 点阵构成一个 16 16 的发光二极管矩阵显示屏，用来显示字符或 图案，具体电路可以做如下的考虑： （1）存储器 存储器可以选择 eprom 存储器，eprom 存储器的内容可以按照用户的需要写入，也可 以通过紫外线照射、擦除，再写入新的内容，故称为可擦除可编程只读存储器。常见 eprom 的型号有 2716（2k 8 位） 、2732（4k 8 位） 、2764（8k 8 位） 、27128（16k 8 位）等。 这部分设计可以选择 eprom 2716，其中，d0d7 为数据端，a0a10 为地址端，可寻地 址为（2k）个存贮单元。一般来说显示的字符越多，eprom 需要的存储容量越大。2048211 当存贮容量不够时，除了选用更大容量的芯片外，还可以将同型号的多片 eprom 芯片联，扩 展存贮容量。如果将 2 片 eprom2716 并联，则存储容量可以扩展到 4k。 （2）数据显示器 数据显示我考虑了两种方案。方案一：采用 led(light emitting diodes)数码管显示，该显 示方式程序设计比较容易，硬件接口比较简单，但是不能方便地实现多位数据一起显示，而且 现在也没有大规模的使用；方案二：采用 lcd(liquid crys2tal display)液晶显示，该显示器使 用非常流行，能够轻松实现多位数据一起显示,但程序设计比较复杂。 考虑到我们的设计主要是模拟可编程字符的显示系统，没有扩展其他有特色的外围功能， 因此采用 led 数码管显示更方便，更容易实现一些。 8 8 点阵 led 的结构如图 2 所示。从图 2 可以看出，8 8 点阵共需要 64 个发光二极管 组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某 一行置0电平，则相应的二极管就亮。可见，4 个 8 8led 点阵构成的 16 16 的发光二极 管矩阵显示屏有 16 根行选通线和 16 根列选通线，若使其中一个发光二极管亮，则此管对应的 行选通线应接高电平（逻辑1 ） ，列选通线应接低电平（逻辑0 ） 。 图 2 8x8 点阵 led 结构 （3）列选线/行选线产生电路 列选线产生电路 列选通线由 eprom 的数据输出端提供，但对于 eprom2716，只有 8 根数据线 5 d0d7。如果要存储更多的单元，需经相应的作用电路后才能控制 16 根列选线。其具体工作 原理是：当 d 触发器的 q=0，/q=1 时，与非门 18 开通，而与非门 916 关闭，对应 eprom 地址 a0=0 的存储单元的代码输出，经与非门 18 后控制 18 列选通线，其中输出 为1的数据线，经与非门后变成低电平，对应的列选线接低电平，则发光二极管的负极接 低电平；当下一个时钟脉冲来到时，q=1，/q=0，与非门 916 开通，与非门 18 关闭，对 应 eprom 地址 a0=1 的存储单元中的代码经与非门 916 输出，控制 916 列选线，从而 完成了用两个存储单元输出 16 位代码来控制 16 根列选线的功能。 行选线产生电路 行选通线的作用是对 16 行发光二极管进行逐行扫描，且每扫描一行，此行的发光二极管 正极应接高电平。因此行选线产生电路的功能是：依此输出 16 个为1的正脉冲，如此反复 循环。 设计中要求输出的每一个正脉冲应具有驱动 16 只发光二极管的能力，所以可以选择 74ls154，由它的功能表（请见附录二）可得，在 4 位地址输入端的控制下，其输出端 q0q15 依次输出低电平0 ，经外接反相器 116 后可依次输出高电平1 。一行的 16 只发光二极管如果全部亮，约需 100ma 的电流。因此，要选用能够提供足够电流的晶体管来 驱动 16 只发光二极管，如 3dg130（=300ma） ，也可以选用集成电路驱动器 cc1413 或 cm i uln2003a。 （4）地址计数器和时钟脉冲源 地址计数器 其作用是提供 eprom 需要的地址线。因为 eprom2716 有 11 根地址线 a0a10，则 组成地址计数器的触发器要有 11 级，输出端应为 q0q10。行选线产生电路 75ls154 需要 的 4 根地址线 a0a3 可以从 q0q10 中选出 4 根。 对于 1616 的发光二极管矩阵显示屏，每显示 1 个字符，需要占用 eprom 的 32 个存 储单元，而 a0=0 时只能选通 18 列，a0=1 时只能选通 916 列，所以扫描 1 行要有两个存 储单元的代码输出，扫描 16 行则要有 32 个存储单元的代码输出。在多字符图案设计方法中， 由于是采用每个 eprom2716 存储的不只是一个字符的程序代码，所以 eprom 的内存分配 有以下规律：低 5 位地址线 a0a4 产生的地址单元用于存放字符的代码，每 32 个单元存放 一个；高 7 位地址线 a5a11 用来控制字符的转换。 所以说：设计中 eprom 的地址计数器由低位地址计数器和高位地址计数器组成，其中地 址线 a0a4 由低位地址计数器输出，a5a11 由高位地址计数器输出。 时钟脉冲源 时钟脉冲源用来提供地址计数器需要的计数脉冲。555 组成的多谐振荡器可以用作各种时 钟脉冲发生器。如图 3 为脉冲频率可调的矩形脉冲发生器，改变电容 c 可获得超长时间的低频 脉冲，调节电位器 rp 可得到任意频率的脉冲如秒脉冲、1khz、10khz 等标准脉冲。由于电 容 c 的充放电回路时间常数不相等，所以图 3 所示电路的输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占 空比随频率的变化而变化。 6 trig 2 q 3 r 4 cvolt 5 thr 6 dis 7 vcc 8 gnd 1 u? 555 +5 r? res2 r? res2 r? res4 c? cap r? res2 d? le d 图 3 矩形脉冲发生器 图 4 所示电路为占空比可调的时钟脉冲发生器，调节电位器 rp 可以改变输出脉冲的占空 比，但频率不变。如果使，则可获得对称方波。 ba rr trig 2 q 3 r 4 cvolt 5 thr 6 dis 7 vcc 8 gnd 1 u? 555 +5 c? cap d? diode r? res2 r? resistor tapped r? res2 d? diode c? cap 图 4 占空比可调的脉冲发生器 由分析可知，低位地址计数器的时钟频率 f1 控制行扫描的速度，f1 越高，屏上显示的那 个字符越稳定。高位地址计数器的时钟频率 f2 控制字符的切换速度，因此 f232f0。其中 f0=50hz，因为人眼的视觉暂留 时间一般为 20ms，即如果 1s 内有 50 幅断续画面出现，则看到的将是一幅连续的画面或者是 一幅稳定的图案。 在满足 f232f0, f050hz,其周期 t020ms，实际设计采用 f12k hz，电路实现可采用由 555 组成的 rc 多谐振荡器；b、选择 f20 then count0 and count rom_out rom_out rom_out rom_out rom_out rom_out rom_out rom_out rom_out rom_out(7 downto 1) rom_out(7 downto 2) rom_out (7 downto 3) rom_out( 7 downto 4) rom_out(7 downto 5) rom_out(7 downto 6) rom_out(7) = temp(1); rom_out(6 downto 0)=temp(16 downto 10); end case; end if; end process a; end desi; 图 18 字符移动仿真 从仿真图图 18 可以看到 rom1，rom2 输入的字符代码中只有一个为高电平时，该高电平 可以做逐次循环移动，图中显示的效果简单明确，表明该模块功能设计正确无误。 （六）字符显示的接口设计 本文所涉及的可编程提示信号显示器，可以针对不同的场合，预先将要显示的字符设定在 fpga 芯片里，可以用 fpga 外部设定的几组 dip 开关来控制，可以针对不同的场合灵活使 用。例如列车时刻表显示屏，商品广告显示屏以及彩灯图案的显示等。 综上所述：可得到顶层设计的原理图如图 19。 21 图 19 顶层设计原理图 六、系统调试与结果分析 （一）测试环境 电源 dh1723-1 示波器 tds2012 数字万用表 dt930 软件测试平台 max-plus2 （二）功能测试方法与步骤 1硬件测试 将设计的程序用 jatg 模式下载到 fpga，第一部做硬件功能测试，编写一段程序逐个驱 动 led 阵列的每一个发光二极管，测试硬件功能是否正确。如果发现某一列的发光二极管都 不亮，这说明这个列的列驱动出现了问题，需要查找对应的那一列。同样如果发现某一行的发 光二极管的行都不亮，这说明这个行的行驱动出现了问题，需要查找对应的那一行。如果全部 发光二极管都亮了，说明硬件已没有问题，可以继续做软件的测试。 2软件测试 调试稳压电源为 5v 后，用稳压电源对电路供电，在计算机上编译程序生成 sof 文件，通 过 jatg 下载线把生成的文件下载到 fpga，观测程序运行的情况，全数字系统仿真结果和实 验结果非常接近，字符发生程序正确。 （三）性能测试结果与分析 硬件和软件的功能调试已经通过，接下来进行性能的测试。用编程器把生成的 pof 文件 固化到 epc1441 里，把固化的芯片插到 fpga 板上，整个系统可以脱机运行，各种显示结果 正常，达到了预期的设计要求，测试完成，具体参数可见表 4。 表 4 系统参数 参数名称数值单位 门（逻辑和 ram）20，000个 可嵌入阵列数（eabs）6个 ram 的总字节数12，288个 输入电压710v 功耗0.6w 工作环境温度080 七、系统功能扩展 由于所选用的 fpga 具有等效为两万个门的规模，仅仅做可编程字符显示，其利用率还很 低，还可以在上面构建其它功能，比如时钟系统，日历等。多个系统可以在上面同时工作，互 不影响。比如显示一会儿时钟，又切换到显示一会儿字符。 八、结束语 经过这次毕业设计，我觉得自己学到了不少东西。归纳起来，主要有以下几点： 1大学三年多的时间都是在学习理论基础知识，并未真正地去应用和实践