基于FPGA点阵显示屏设计软件毕业论文.doc

东华理工大学长江学院毕业论文 目录 东东 华华 理理 工工 大大 学学 长长 江江 学学 院院 毕 业 论 文 题题 目 目 基于基于 FPGA 点阵显示屏设计点阵显示屏设计 软件软件 Title Design of Dot Matrix Screen based on FPGA 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以标注和 致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果 也不 包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体 均已在文中作了明确的 说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅 览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在 不以赢利为目的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 作者签名 日 期 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 摘摘 要要 本设计是一 16 16 点阵 LED 电子显示屏的设计 整机以 EP2C5T144C8N 为主控芯 片 介绍了以它为控制系统的 LED 点阵电子显示屏的动态设计和开发过程 通过该芯 片控制一个行驱动器 74HC154 和两个列驱动器 74HC595 来驱动显示屏显示 该电子显 示屏可以显示各种文字或单色图像 采用 4 块 8 x 8 点阵 LED 显示模块来组成 16x16 点阵显示模式 显示采用动态显示 使得图形或文字能够实现静止 移入移出等多种 显示方式 文中详细介绍了 LED 点阵显示的硬件设计思路 硬件电路各个部分的功能 及原理 相应软件的程序设计 以及使用说明等 控制系统程序采用 FPGA 编辑 通过编程控制各显示点对应 LED 阳极和阴极端的电 平 就可以有效的控制各显示点的亮灭 所显示字符的点阵数据可以自行编写 即直 接点阵画图 也可从标准字库中提取 LED 显示以其组构方式灵活 显示稳定 功耗低 寿命长 技术成熟 成本低廉 等特点在车站 证券所 运动场馆 交通干道及各种室内 外显示场合的信息发布 公 益宣传 环境参数实时 重大活动倒计时等等得到广泛的应用 设计结果证明 该系统性能稳定 结构合理 具有横向扩展拼接功能 关键词关键词 LED FPGH 硬件描述语言 东华理工大学长江学院毕业论文 Abstract ABSTRACT The design is a 16 16 dot matrix LED display design The machine to EP2C5T144C8N as the main chip LED dot matrix electronic display for the control system it dynamic design and development process Through the chip to control a line drive 74HC154 and two drive 74HC595 to drive the display shows The electronic screen can display text or monochrome images four 8 x 8 dot matrix LED display module to form a 16x16 dot matrix display mode Displays the dynamic display graphics or text to achieve stationary moved out of the other display LED dot matrix display hardware design ideas features and principles of the various parts of the hardware circuit the corresponding software programming and instructions for use etc in detail Control system using FPGA Editor by programming the control point corresponds to the LED anode and cathode level can effectively control the display point bright off Shows the character of the lattice data can write your own ie direct dot drawing can also be extracted from the standard font LED display with its group structure is flexible showing a stable low power consumption long life mature technology low cost and other characteristics of the station securities sports venues major trunk roads and a variety of indoor outdoor occasions information dissemination public promotion environmental parameters in real time the major activities of the countdown has been widely used The design results show that the system is stable performance reasonable structure with horizontal expansion splicing Keywords LED FPGH hardware description language 东华理工大学长江学院毕业论文 目录 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 FPGA 的发展历史和发展方向 1 1 2 FPGA 的应用 3 1 3 LED 的定义和特点 4 1 4 LED 简介 5 1 5 LED 显示屏的分类 7 第二章第二章 系统整体设计方案系统整体设计方案 8 2 1 需要实现的功能 8 2 2 显示模式方案论证 8 2 3 显示数据传输方案论证 9 第三章第三章 硬件设计硬件设计 10 3 1 FPGA 最小系统 10 3 2 FPGA 硬件系统的设计技巧 14 3 4 列驱动电路 14 3 5 行驱动电路 17 3 6 点阵 LED 电子显示屏电路 18 第四章第四章 系统程序的设计系统程序的设计 20 4 1 系统主程序 20 第五章第五章 调试及仿真调试及仿真 22 5 1 系统开发工具介绍 22 5 2 调试与仿真 22 5 3 编译 24 5 4 时序仿真 25 结结 论论 27 致致 谢谢 28 参考文献参考文献 29 附录一附录一 30 东华理工大学长江学院毕业论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 随着 FPGA 的不断发展 应用于生活当中屡见不鲜 以其简单 便捷 低成本及低 功耗的特点逐渐取代了以往中 小规模的集成电路产品 只要写入不同的程序 同一 片 FPGA 能够完成不同的工作 FPGA 极高的可靠性 微型性和智能性 需编写不同的 程序后就能够完成不同的控制工作 FPGA 已成为工业控制领域中普遍采用的智能化 控制工具 已经深深地渗入到日常生活当中 1 11 1 FPGAFPGA 的发展历史和发展方向的发展历史和发展方向 每一个后看来很成功的新事物 从诞生到发展壮大都不可避免地经历过艰难的历 程 并可能成为被研究的案例 FPGA 也不例外 1985 年 当全球首款 FPGA 产品 XC2064 诞生时 注定要使用大量芯片的 PC 机 刚刚走出硅谷的实验室进入商业市场 因特网只是科学家和政府机构通信的神秘链路 无线电话笨重得像砖头 日后大红大紫的 BillGates 正在为生计而奋斗 创新的可编 程产品似乎并没有什么用武之地 事实也的确如此 最初 FPGA 只是用于胶合逻辑 GlueLogic 从胶合逻辑到算 法逻辑再到数字信号处理 高速串行收发器和嵌入式处理器 FPGA 真正地从配角变成 了主角 在以闪电般速度发展的半导体产业里 22 年足够改变一切 在未来十年内 每一个电子设备都将有一个可编程逻辑芯片 的理想正成为现实 1985 年 Xilinx 公司推出的全球第一款 FPGA 产品 XC2064 怎么看都像是一只 丑 小鸭 采用 2 m 工艺 包含 64 个逻辑模块和 85000 个晶体管 门数量不超过 1000 个 22 年后的 2007 年 FPGA 业界双雄 Xilinx 和 Altera 公司纷纷推出了采用最 新 65nm 工艺的 FPGA 产品 其门数量已经达到千万级 晶体管个数更是超过 10 亿个 一路走来 FPGA 在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步 2001 年采用 150nm 工艺 2002 年采用 130nm 工艺 2003 年采用 90nm 工艺 2006 年采用 65nm 工艺 在上世纪 80 年代中期 可编程器件从任何意义上来讲都不是当时的主流 虽然 其并不是一个新的概念 可编程逻辑阵列 PLA 在 1970 年左右就出现了 但是一直 被认为速度慢 难以使用 1980 年之后 可配置可编程逻辑阵列 PAL 开始出现 可 以使用原始的软件工具提供有限的触发器和查找表实现能力 PAL 被视为小规模 中等 规模集成胶合逻辑的替代选择被逐步接受 但是当时可编程能力对于大多数人来说仍 然是陌生和具有风险的 20 世纪 80 年代在 megaPAL 方面的尝试使这一情况更加 严重 因为 megaPAL 在功耗和工艺扩展方面有严重的缺陷 限制了它的广泛应用 然而 Xilinx 公司创始人之一 FPGA 的发明者 RossFreeman 认为 对于许多应用 来说 如果实施得当的话 灵活性和可定制能力都是具有吸引力的特性 也许最初只 能用于原型设计 但是未来可能代替更广泛意义上的定制芯片 事实上 正如 Xilinx 公司亚太区营销董事郑馨南所言 随着技术的不断发展 FPGA 由配角到主角 很多 系统设计都是以 FPGA 为中心来设计的 FPGA 走过了从初期开发应用到限量生产应用 再到大批量生产应用的发展历程 从技术上来说 最初只是逻辑器件 现在强调平台 概念 加入数字信号处理 嵌入式处理 高速串行和其他高端技术 从而被应用到更 多的领域 过去 20 年来 PLD 产品的终极目标一直瞄准速度 成本和密度三个指标 即构建容量更大 速度更快和价格更低的 FPGA 让客户能直接享用 Actel 司总裁兼 首席执行官 JohnEast 如此总结可编程逻辑产业的发展脉络 当 1991 年 Xilinx 公司推出其第三代 FPGA 产品 XC4000 系列时 人们开始认真 考虑可编程技术了 XC4003 包含 44 万个晶体管 采用 0 7 m 工艺 FPGA 开始被制 造商认为是可以用于制造工艺开发测试过程的良好工具 事实证明 FPGA 可为制造 工业提供优异的测试能力 FPGA 开始用来代替原先存储器所扮演的用来验证每一代 新工艺的角色 也许从那时起 向最新制程半导体工艺的转变就已经不可阻挡了 最 新工艺的采用为 FPGA 产业的发展提供了机遇 Actel 公司相信 Flash 将继续成为 FPGA 产业中重要的一个增长领域 Flash 技术 有其独特之处 能将非易失性和可重编程性集于单芯片解决方案中 因此能提供高成 本效益 而且处于有利的位置以抢占庞大的市场份额 Actel 以 Flash 技术为基础的低 功耗 IGLOO 系列 低成本的 ProASIC3 系列和混合信号 Fusion FPGA 将因具备 Flash 的固有优势而继续引起全球广泛的兴趣和注意 Altera 公司估计可编程逻辑器件市场在 2006 年的规模大概为 37 亿美元 Xilinx 公司的估计更为乐观一些 为 50 亿美元 虽然两家公司合计占据该市场 90 的市场 份额 但是作为业界老大的 Xilinx 公司在 2006 年的营收不过 18 4 亿美元 Altera 公 司则为 12 9 亿美元 PLD 市场在 2000 年达到 41 亿美元 其后两年出现了下滑 2002 年大约为 23 亿美元 虽然从 2002 年到 2006 年 PLD 市场每年都在增长 复合 平均增长率接近 13 但是 PLD 终究是一个规模较小的市场 而 Xilinx 公司也敏锐地 意识到 FPGA 产业在经历了过去几年的快速成长后将放慢前进的脚步 那么 未来 FPGA 产业的出路在哪里 Altera 公司总裁兼首席执行官 John Daane 认为 FPGA 及 PLD 产业发展的最大机 遇是替代 ASIC 和专用标准产品 ASSP 主要由 ASIC 和 ASSP 构成的数字逻辑市场规 模大约为 350 亿美元 由于用户可以迅速对 PLD 进行编程 按照需求实现特殊功能 与 ASIC 和 ASSP 相比 PLD 在灵活性 开发成本以及产品及时面市方面更具优势 然 而 PLD 通常比这些替代方案有更高的成本结构 因此 PLD 更适合对产品及时面市 有较大需求的应用 以及产量较低的最终应用 PLD 技术和半导体制造技术的进步 从总体上缩小了 PLD 和固定芯片方案的相对成本差 在以前由 ASIC 和 ASSP 占据的市 场上 Altera 公司已经成功地提高了 PLD 的销售份额 并且今后将继续这一趋势 FPGA 和 PLD 供应商的关键目标不是简单地增加更多的原型客户 而是向大批量应用 最终市场和客户渗透 John Daane 为 FPGA 产业指明了方向 Xilinx 公司认为 ASIC SoC 设计周期平均是 14 个月到 24 个月 用 FPGA 进行开 发时间可以平均降低 55 而产品晚上市六个月 5 年内将少 33 的利润 每晚四周等 于损失 14 的市场份额 因此 郑馨南雄心勃勃地预言 FPGA 应用将不断加快 从 面向 50 亿美元的市场扩展到面向 410 亿美元的市场 其中 ASIC 和 ASSP 市场各 150 亿美元 嵌入式处理和高性能 DSP 市场各 30 亿美元 虽然没有像蒸汽机车发明之初备受嘲笑被讥讽为 怪物 但是 FPGA 在诞生之初 受到怀疑是毫无疑问的 当时 晶体管逻辑门资源极为珍贵 每个人都希望用到的晶 体管越少越好 不过 Ross Freeman 挑战了这一观念 他大胆预言 在未来 晶体 管将变得极为丰富从而可以 免费 使用 如今 这一预言成为现实 FPGA 非常适用于原型设计 但对于批量 DSP 系统应用来说 成本太高 功耗太 大 这是业界此前的普遍观点 很长时间以来也为 FPGA 进入 DSP 领域设置了观念上 的障碍 而如今 随着 Xilinx 公司和 Altera 公司相关产品的推出 DSP 领域已经不再 是 FPGA 的禁区 相反却成了 FPGA 未来的希望所在 FPGA 对半导体产业最大的贡献莫过于创立了无生产线 Fabless 模式 如今采用这 种模式司空见惯 但是在 20 多年前 制造厂被认为是半导体芯片企业必须认真考虑 的主要竞争优势 然而 基于过去和关系和直接 清晰的业务模式 Xilinx 创始人之 一 Bernie Vonderschmitt 成功地使日本精工公司 Seiko 确信利用该公司的制造设施来 生产 Xilinx 公司设计的芯片对双方都是有利的 于是 无生产线模式诞生了 未来 相信 FPGA 还将在更多方面改变半导体产业 1 2 FPGAFPGA 的应用的应用 1 2 1 电路设计中电路设计中 FPGAFPGA 的应用的应用 连接逻辑 控制逻辑是 FPGA 早期发挥作用比较大的领域也是 FPGA 应用的基石 事 实上在电路设计中应用 FPGA 的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识 电路知识 和软件应用能力 开发工具 这方面的人才总是紧缺的 往往都从事新技术 新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来 通用和专用 IP 的设计将成为一个热门行业 搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬 件知识 在这个层面 干重于学 当然 快速入门是很重要的 越好的位子越不等人电 路开发是黄金饭碗 1 2 2 产品设计产品设计 把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯 视频 信息处理等等开发出满足 行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是 FPGA 技术和专业技术的结合问题 另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品 前 者重点在性能 后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的 FPGA 技术是 一个实现手段在这个领域 FPGA 因为具备接口 控制 功能 IP 内嵌 CPU 等特点有 条件实现一个构造简单 固化程度高 功能全面的系统产品设计将是 FPGA 技术应用 最广大的市场 具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高 路 途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建 首发团队 的状态 只要加入 前途光明 产品设计是一种职业发展方向定位 不是简单的爱好就能做到的 产品设计领域会造就 大量的企业和企业家 是一个近期的发展热点和机遇 1 2 3 系统级应用系统级应用 系统级的应用是 FPGA 与传统的计算机技术结合 实现一种 FPGA 版的计算机系 统如用 Xilinx V 4 V 5 系列的 FPGA 实现内嵌 POWER PC CPU 然后再配合各种 外围功能 实现一个基本环境 在这个平台上跑 LINUX 等系统这个系统也就支持各种 标准外设和功能接口 如图象接口 了这对于快速构成 FPGA 大型系统来讲是很有帮助 的 这种 山寨 味很浓的系统早期优势不一定很明显 类似 ARM 系统的境况但若能慢 慢发挥出 FPGA 的优势 逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向 若在系统级应用 中 开发人员不具备系统的扩充开发能力 只是搞搞编程是没什么意义的 当然设备 驱动程序的开发是另一种情况 搞系统级应用看似起点高 但不具备深层开发能力 很可能会变成爱好者 就如很多人会做网页但不能称做会编程类似以上是几点个人开 发 希望能帮助想学 FPGA 但很茫然无措的人理一理思路 这是一个不错的行业 有 很好的个人成功机会 但也肯定是一个竞争很激烈的行业 关键看的就是速度和深度 当然还有市场适应能力 1 3 LED 的定义和特点的定义和特点 Light Emitting Diode 即发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接把电 转化为光 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负 极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由两部分 组成 一部分是 P 型半导体 在它里面空穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 在这 边主要是电子 但这两种半导体连接起来的时候 它们之间就形成一个 P N 结 当电 流通过导线作用于这个晶片的时候 电子就会被推向 P 区 在 P 区里电子跟空穴复合 然后就会以光子的形式发出能量 这就是 LED 发光的原理 而光的波长也就是光的颜 色 是由形成 P N 结的材料决定的 1 LED 特点和优点 LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源 它有着广泛的用途 2 体积小 LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面 所以它非常的小 非常的 轻 3 耗电量低 LED 耗电非常低 一般来说 LED 的工作电压是 2 3 6V 工作电流是 0 02 0 03A 这就是说 它消耗的电不超过 0 1W 4 使用寿命长 在恰当的电流和电压下 LED 的使用寿命可达 10 万小时 5 高亮度 低热量 6 环保 LED 是由无毒的材料作成 不像荧光灯含水银会造成污染 同时 LED 也可以回收 再利用 7 坚固耐用 LED 是被完全的封装在环氧树脂里面 它比灯泡和荧光灯管都坚固 灯体内也没 有松动的部分 这些特点使得 LED 可以说是不易损坏的 LED 发光技术的原理是某些半导体材料在通以电流的情况下会发出特定波长的光 这种电到光的转换效率非常高 对所用材料进行不同的化学处理 就可以得到各种亮 度和视角 LED 散发出电磁波 一种振动极高的频率 当这些波达到 380nm nanometer 以上及在 780nm 以下 在这中间的波长是可见光 一种能被人 的眼睛看到的可视光 LED 是一种非常有用及有效率的光源 它的光学构造体实在已 将发出的光几无损失的集合起来 经狭小的结构投射出来 它的颜色是根据它使用的 半导体成份造成 目前大约有红 黄 绿及白光等等 1 4 LED 简介简介 LED 电子显示屏是由几万至几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成 利 用不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素点 目前应用最广的是红色 绿色 黄色 而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了 LED 显示屏可以显示变化的数字 文字 图形图像 不仅可以用于室内环境还可以用 于室外环境 具有投影仪 电视墙 液晶显示屏无法比拟的优点 LED 显示屏显示画面色彩鲜艳 立体感强 静如油画 动如电影 广泛应用于车 站 码头 机场 商场 医院 宾馆 银行 证券市场 建筑市场 拍卖行 工业企 业管理和其它公共场所 在我国改革开放之后 特别是进入 90 年代国民经济高速增 长 对公众场合发布信息的需求日益强烈 LED 显示屏的出现正好适应了这一市场形 势 因而在 LED 显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高 生产也得 到了迅速的发展 并逐步形成产业 成为光电子行业的新兴产业领域 LED 显示屏经 历了从单色 双色图文显示屏 到图像显示屏的发展过程 显示技术是一种将反映外界客观事物的信息 光学的 电学的 声学的 化学的 等 经过变换处理 以适当的形式 主要有图像 图形 数码 字符 加以显示 供人观看 分析 利用的一种技术 现在所谓的显示技术 可以称作电子信息显示技 术 它是建立在光学 化学 电子学 机械学 声学等科学技术基础上的具有某种程 度综合性的技术 电子显示技术的应用与研究涉及的范围很广 包括各种发光材料的 发光机理的研究 实验 各种显示方式的基本原理及其结构形式 显示用的材料与器 件的选择和制作工艺 显示信息的输入 变换 处理和控制 等等 随着科学技术的 发展 随着经济 军事 社会与人们生活的发展 信息的种类和数量不断增加 和很多应用术语一样 LED 图文显示屏并没有一个公认的严格的定义 一般把显 示图形和 或文字的 LED 显示屏称为图文屏 这里所说的图形 是指由单一亮度线条 组成的任意图形 以便于不同亮度 灰度 点阵组成的图像相区别 图文显示屏的主 要特征是只控制 LED 点阵中各发光器件的通断 发光或熄灭 而不控制 LED 的发光 强弱 LED 图文显示屏的外观可以做成条形 叫做条形图文显示屏 简称条屏 也 可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏 其实条屏只不过是其宽度远大于高 度的平面显示屏 在显示与控制的原理上并无区别 从理论上说 不论显示图形还是文字 都是控制与组成这些图形或文字的各个点 所在位置相对应的 LED 器件发光 通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形 再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据 对于只控制通断的图文显示屏来 说 每个 LED 发光器件占据数据中的 1 位 1bit 在需要该 LED 器件发光的数据中 相应的位填 1 否则填 0 当然 根据控制电路的安排 相反的定义同样是可行的 这样依照所需显示的图形文字 按显示屏的各行各列逐点填写显示数据 就可以构成 一个显示数据文件 显示图形的数据文件 其格式相对自由 只要能够满足显示控制 的要求即可 文字的点阵格式比较规范 可以采用现行计算机通用的字库字模 组成 一个字的点阵 其大小也可以有 8 8 16 16 24 24 等不同规格 汉字的点阵结构 相应的显示数据是用 16 进制格式以字节为单位表示的 用点阵方式构成图形或文字 是非常灵活的 可以根据需要任意组合和变化 只 要设计好合适的数据文件 就可以得到满意的显示效果 因而采用点阵式图文显示屏 显示经常需要变化的信息 是非常有效的 点阵显示方式适应信息变化的优点 是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路 为代价的 点阵显示器在整个显示单元的所有位置上都布置了 LED 器件 而像数码管 一类的显示器件只在需要发光的七段位置上布置 LED 器件 其它位置是空白的 因此 点阵显示器在相同面积情况下 价格要贵些 但是 数码管可显示的信息有限 只有 0 9 或单个的英文字符 由于组合形成的字符不多 所以其显示数据和控制电路都比 较简单 点阵显示器则不然 它要对点阵上全部 LED 进行控制 并能生成所有可能显 示的图形文字 其显示数据和控制电路自然要复杂得多 因此 根据不同的场合 不 同的显示特点和格式可以分别采用数码管器件或点阵显示方式 有的情况可以采用两 者搭配的混合屏显示方式 图文显示屏的颜色 有单色 双色 和多色几种 最常用的是单色图文屏 单色 屏多使用红色 橘红色或橙色 LED 点阵单元 双色图文屏和多色图文屏 在 LED 点阵 的每一个 点 上布置有两个或多个不同颜色的 LED 发光器件 换句话说 对应于每种 颜色都有自己的显示矩阵 显示的时候 各颜色的显示点阵是分开控制的 事先设计 好各种颜色的显示数据 显示时分别送到各自的显示点阵 即可实现预期效果 每一 种颜色的控制方法和单色的完全相同 因此掌握了单色图文显示屏的原理 双色屏和 多色屏就不难理解了 1 5 LED 显示屏的分类显示屏的分类 1 按颜色基色可以分为 单基色显示屏 单一颜色 红色或绿色 双基色显示屏 红和绿双基色 256 级灰度 可以显示 65536 种颜色 全彩色显示屏 红 绿 蓝三基色 256 级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六 百多万种颜色 2 按显示器件分类 LED 数码显示屏 显示器件为 7 段码数码管 适于制作时钟屏 利率屏等 显示 数字的电子显示屏 LED 点阵图文显示屏 显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示 模块 适于播放文字 图像信息 东华理工大学长江学院毕业论文 第二章 系统整体设计方案 8 第二章第二章 系统整体设计方案系统整体设计方案 2 1 需要实现的功能需要实现的功能 设计一个 16 16 点阵 LED 图文显示屏 要求在目测条件下 LED 显示屏各点亮度 均匀 充足 可显示图形和文字 显示图形或文字应稳定 清晰无串扰 图形或文字 显示有静止 移入移出 横向扩展拼接等显示方式 2 2 显示模式方案显示模式方案论证论证 为了吸引观众增强显示效果 可以有多种显示模式 最简单的显示模式是静态显 示 这里所说的 静态显示模式 不同于静态驱动方式 与静态显示模式相对应 就有 各种动态显示模式 它们所显示的图文都是能够动的 按照图文运动的特点又可以分 为闪烁 平移 旋转 缩放等多种显示模式 产生不同显示模式的方法 并不意味着 一定要重新编写显示数据 可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成 例如 按顺序调整行号 可以使显示图文产生上下平移 而顺序调整列显示数据的位置 就 可以达到左右平移的目的 同时调整行列顺序 就能得到对角线平移的效果 其它模 式的数据刷新 也可找到相应的算法 不过当算法太复杂 太浪费时间的话 也可以 考虑预先生成刷新数据 存储备用 刷新的时间控制 要考虑运动图形文字的显示效 果 刷新太慢 动感不显著 刷新太快了 中间过程看不清 一般刷新周期可控制在 几十毫秒范围之内 从理论上说 不论显示图形还是文字 只要控制与组成这些图形或文字的各个点 所在位置相对应的 LED 器件发光 就可以得到我们想要的显示结果 这种同时控制 LED 显示屏的各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式 16 16 的点阵共有 256 个发光二极管 显然单片机没有这么多端口 如果我们采用锁存器来扩展端口 按 8 位的锁存器来计算 16 16 的点阵需要 256 8 32 个锁存器 这个数字很庞大 因为 我们仅仅是 16 16 的点阵 在实际应用中的显示屏往往要大得多 这样在锁存器上花 的成本将是一个很庞大的数字 因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计 而采用另一种称为动态扫描的显示方法 动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮 这样扫描驱动电路就可以实现多行 比如 16 行 的同名列共用一套列驱动器 每行有一个行驱动器 具体就 16 16 的 点阵来说 把所有同一行的发光管的阳极连在一起 把所有同一列的发光管的阴极连 在一起 共阳的接法 先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存 然后选通第一 行使其燃亮一定的时间 然后熄灭 再送出第二行的数据并锁存 然后选通第二行使 其燃亮相同的时间 然后熄灭 第十六行之后 又重新燃亮第一行 反复轮回 当 这样轮回的速度足够快 每秒 24 次以上 由于人眼的视觉暂留现象 就能看到显 FPGA 列驱动器 行驱动器 LED 显示点阵 电源 图 2 1 显示屏电路框图 示屏上稳定的图形了 2 32 3 显示数据传输方案显示数据传输方案论证论证 采用扫描方式进行显示时 每行有一个行驱动器 各行的同名列共用一个列驱动 器 显示数据通常存储在单片机的存储器中 按 8 位一个字节的形式顺序排放 显示 时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去 这就存在一个显示数据传输 方式的问题 从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式 显然 采用并行方式时 从控制电路到列驱动器的线路数量大 相应的硬件数目多 当列数 很多时 并行传输的方案是不可取的 采用串行传输的方法 控制电路可以只用一根信号线 将列数据一位一位传往列 驱动器 在硬件方面无疑是十分经济的 但是 串行传输过程较长 数据按顺序一位 一位地输出给列驱动器 只有当一行的各列数据都已传输到位之后 这一行的各列才 能并行地进行显示 这样 对于一行的显示过程就可以分解列数据准备和列数据显示 两个部分 对于串行传输方式来说 列数据准备时间可能相当长 在行扫描周期确定 的情况下 留给行显示的时间就太少了 以至影响到 LED 的亮度 解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题 可以采用重叠处理的 方法 即在显示本行各列数据的同时 准备下一行的列数据 为了达到重叠处理的目 的 列数据的显示就需要具有锁存功能 经过上述分析 可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能 对于列数据准备来 说 它应能实现串入并出的移位功能 对于列数据显示来说 应具有并行锁存的功能 这样 本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时 串并移位寄存器准备下一行 的列数据 而不会影响本行的显示 东华理工大学长江学院毕业论文 第三章 硬件设计 10 第三章第三章 硬件硬件设计设计 3 1 FPGA 最小系统最小系统 FPGA 最小系统是可以使 FPGA 最小的系统 它的外围电路尽量减少 只包括 FPGA 必要的控制电路 一般 FPGA 的最小系统主要包括 FPGA 芯片 下载电路 外部时钟 复位电路和 电源 如果需要使用 NIOSII 软嵌入式处理器还要包括 SDRAM 和 FLASH 一把以上这 些组件是 FPGA 最小系统的组成部分 CycloneII 系列 EP2C5T144C8 芯片框图如图 3 1 所示 图 3 1 EP2C5T144C8N 芯片框图 3 1 1 FPGA 的管脚设计的管脚设计 FPGA 的管脚主要包括 用户 I O UserI O 配置管脚 电源 时钟及特殊应用管 脚等 其中某些管脚可有多种用途 所以在设计 FPGA 之前 需要认真的阅读相应 FPGA 的芯片手册 下面以 Altera 公司的 CycloneII 系列 FPGA 为例 介绍 FPGA 的功能管脚 用户 I O I Onum 可用作输入或输出 或者双向口 同时可作为 LVDS 差分对的负端 其中 num 表示管脚序号 配置管脚 DATA FPGA 串行数据输入 连接至配置器件的串行数据输出管脚 DCLK FPGA 串行时钟输出 为配置器件提供串行时钟 nCS I O FPGA 片选信号输出 连接至配置器件的 nCS 管脚 ADSI I O FPGA 串行数据输出 连接至配置器件的 ADSI 管脚 图 3 2 FPGA 配置管脚原理图 特殊管脚 VCCPD 用于选择驱动电压 VCCSEL 用于配置控制管脚和锁相环相关的输入缓冲电压 PORSEL 上电复位选项 NIOPULLUP 用于配置控制时所使用的用户 I O 的内部上拉电阻是否工作 TEMPDIODEn p 用于关联温度二极管 3 1 2 下载配置与调试接口电路设计下载配置与调试接口电路设计 FPGA 是 SRAM 型结构 本身并不能固化程序 因此 FPGA 需要 Flash 结构的配置 芯片来存储逻辑配置信息 用于进行上电配置 以 Altera 公司的 FPGA 为例 配置芯片可分为串行 EPCSx 系列 和并行 EPCx 系列 两种 其中 EPCx 系列为老款配置芯片 体积较大 价格高 而 EPCSx 系列芯片 与之相比 体积小 价格低 在把程序固化到配置芯片之前 一般先选用 JTAG 模式去调试程序 也就是把程序 下载到 FPGA 芯片上运行 虽然这种方式在掉电后程序会丢失 但是充分利用了 FPGA 的无限擦写性 所以一般 FPGA 有两个下载接口 JTAG 调试接口和 AS 或 PS 模式下载 接口 所不同的是前者下载至 FPGA 后者是编程配置芯片 如 EPCSx 然后再配置 FPGA nCS 1 nCS DATA 2 DATA VCC 3 GND 4 ASDI 5 ASDI DCLK 6 DCLKVCC 7 VCC 8 U3 EPCS1 4 8 GND 3 3V 图 3 3 JTAG 模式原理图 图 3 4 AS 模式原理图 3 1 3 电源电路设计电源电路设计 电源是整个系统能够正常运行的基本保证 如果电源电路设计的不好 系统有可 能不能工作 或者即使能工作但是散热条件不好 导致系统不稳定等异常情况 所以 如何选用合适的电源芯片 以及如何合理的对待电源进行布局布线 都是值得下大功 夫研究的 在选用电源之前要仔细阅读 FPGA 的芯片手册 一般来说 FPGA 用到的管脚和资源 多 那么所需要的电流就越大 当电路启动时 FPGA 的瞬间电流也比较大 通过数据手 册中提供的电气参数 确定了 FPGA 最大需要多大的电流才能工作 下面是几种常使用 的 FPGA 参考电源 AS117 可以提供 1A 电流 线性电源 适用 144 管脚以下 5 万逻辑门以下的 FPGA AS2830 或 LT1085 可以提供 3A 电流 线性电源 适用 240 管脚以下 30 万逻 辑门以下的 FPGA TPSFPGA 可以提供 3A 电流 开关电源 适用大规模大封装的高端 FPGA 12 34 56 78 910 JTAG 1K R4 1K R3 1K R2 1K R1 3 3V 3 3V TDO TMS TDI TCH 1 DCLK 2 3 CONF DONE 4 5 nCONFIG 6 nCE 7 DATA0 8 nCS 9 ASDI 10 AJ 10K R5 10K R6 10K R7 3 3V 3 3V ASDO uCS 图 3 5 EP2C5T144C8N 芯片电源电路图 3 1 4 复位电路设计复位电路设计 一般复位电路采用的是低电平复位 只有个别单片机采用高电平复位方式 常见 的电平复位电路分为芯片复位和阻容复位 前者的复位信号比较稳定 而后者容易出 现抖动 因此在成本允许的条件下我们推荐使用芯片复位 常用的复位芯片有 MAX708S 706S 系列 它可以提供高低电平两种复位方式和电 源检测能力 监控电源电压低到一定程度自动复位 IMP811 是一款比较低廉的复 位芯片 只有低电平复位功能 但是其体积非常小 RESET 10K R10 VCCGND I O25 RES 图 5 6 复位电路图 3 2 FPGA 硬件系统的设计技巧硬件系统的设计技巧 FPGA 的硬件设计不同于和系统 比较灵活和自由 只要设计好专用管脚的电路 通用 I O 的连接可以自己定义 因此 FPGA 的电路设计中会有一些特殊的技巧可以参 考 3 2 1 稳压电源技术指标稳压电源技术指标 稳压电源的技术指标可以分为两大类 一类是特性指标 如输出电压 输出电流 及电压调节范围 另一类是质量指标 反映一个稳压电源的优劣 包括稳定度 等效 内阻 输出电阻 波纹电压及温度系数等 对稳压电源的性能 主要有以下四个方 面的要求 稳定性好 当输入电压 Usr 整流 滤波输出电压 在规定范围内变动时 输出电压 Usc 的变化一般要求很小 输出电阻小 负载变化时 从空载到满载 输出电压 Usr 应基本保持不变 电压温度系数小 当环境温度变化时 会引起输出电压的漂移 良好的稳压电源 应在环境温度变化时 有效地抑制输出电压的漂移 保持输出电压稳定 输出电压纹波小 所谓纹波电压 是指输出电压中 50Hz 或 100Hz 的交流分量 通常用有效值或峰值表示 3 4 列驱动电路列驱动电路 3 4 1 74HC595 芯片简介芯片简介 集成电路 74HC595 它具有一个 8 位串行输入 输出或者并行输出的移位寄存器 和一个 8 位输出锁存器的结构 而且移位寄存器的和输出锁存器的控制是各自独立的 可以实现在显示本行各列数据的同时 传送下一行的列数据 即达到重叠处理的目的 74HC595 的管脚及内部结构形式如图 3 5 所示 它的输入侧有 8 个串行移位寄存 器 每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器 引脚 SER 是串行数据的输入端 引脚 SRCLK 是移位寄存器的移位时钟脉冲 在其上升沿发生移位 并将 SER 的下一个 数据打入最低位 移位后的各位信号出现在个移位寄存器的输出端 也就是输出锁存 器的输入端 RCLK 是输出锁存器的输入信号 其上升沿将移位寄存器的输出输入到 输出锁存器 引脚是输出三态门的开放信号 只有当其为低电平时锁存器的输出才 开放 否则为高阻态 信号是移位寄存器的清零输入端 当其为低时移位寄存SRCLR 器的输出全部为 0 由于 SRCLK 和 RCLK 两个信号是互相独立的 所以能够做到输入 串行移位与输出锁存互不干扰 芯片的输出端为 QA QH 最高位 QH 可作为多片 74HC595 级连应用时 向上一级的级连输出 但因 QH 受输出锁存器打入控制 所以 还从输出锁存器前引出了 QH 作为与移位寄存器完全同步的级连输出 移位寄存 和输出锁存的时序波形如图 3 6 所示 表 3 2 引脚 符号 引脚 描述 Q0 Q7 15 1 7 并行数据输出 GND 8 地 Q7 9 串行数据输出 MR 10 主复位 低电平 SHCP 11 移位寄存器时钟输入 STCP 12 存储寄存器时钟输入 OE 13 输出有效 低电平 DS 14 串行数据输入 VCC 16 电源 表 3 3 功能表 输入 输出 SHCP STCP OE MR DS Q7 Qn 功能 L L NC MR 为低电平时紧紧影响移位寄存器 L L L L 空移位寄存器到输出寄存器 H L L Z 清空移位寄存器 并行输出为高阻状态 L H H Q6 NC 逻辑高电平移入移位寄存器状态 0 包 含所有的移位寄存器状态移入 例如 以前的状态 6 内部 Q6 出现在串 行输出位 L H NC Qn 移位寄存器的内容到达保持寄存器并从 并口输出 L H Q6 Qn 移位寄存器内容移入 先前的移位寄存 器的内容到达保持寄存器并输出 H 高电平状态 图 3 6 移位寄存和输出锁存的时序波形图 L 低电平状态 上升沿 下降沿 Z 高阻 NC 无变化 无效 3 4 2 列驱动电路的构成列驱动电路的构成 74HC595 组成的列驱动器示于图 3 7 中 该图由两片 74HC595 组成 16 列的驱动 由 16 个行驱动器驱动 16 行 第一片列驱动器的 SER 端连接单片机输出的串行列显示 数据 其QH 端连接第二片的 SER 端 采用这样的方法组成两片的级连 两片相 应的 SRCLK RCLK 端分别并联 作为统一的串行数据移位信号 串行数据 SRCLR 清除信号和输出锁存器输入信号 这样的结构 使得各片串行移位能把 16 列的显示 数据依次输入到相应的移位寄存器输出端 移位过程结束之后 控制器输出 RCLK 打 入信号 16 列显示数据一起打入相应的输出锁存器 然后选通相应的行 该行的各列 就按照要求进行显示 图 3 7 显示驱动电路 3 5 行驱动电路行驱动电路 3 5 1 74HC154 芯片芯片简介简介 图 3 7 74HC154 芯片 译码器是一个多输入 多输出的组合逻辑电路 其功能是将给定的输入码组进行 翻译 变换成对应的输入信号 对每一种可能的输入组合 使输出通道中相应的 一路有信号输出 一个且仅一个输出信号为有效电位 74HC154 为变量译码器 也称二 进制译码器 它是一种四线 十六线译码器 译码的输入端有 4 个 输出端有 24 16 个 并有两个选通端 使能端 它的管脚形式如图 3 8 所示 当选通端1 2 均 EE 为低电平时 译码器处于工作状态 可将地址输入端 A0 A3 的二进制编码在一个 对应的输出端以低电平译出 否则 译码器被禁止 3 5 2 行驱动电路行驱动电路原理原理 行驱动电路相对简单 行选通信号来源于单片机按照时序要求所给出的二进制信 号 每次更新行号 开始扫描新的一行 时 由单片