FPGA实验开发系统之LED点阵显示模块.doc

FPGA实验开发系统之LED点阵显示模块The LED Matrix Display Module of The FPGA Experiment and Development System 4摘 要EDA工具和PLD（包括CPLD和FPGA）技术的发展，使其正成为数字系统设计的主流。而LED点阵显示器的显示，需要很高的扫描频率和精确的时序，FPGA的高性能和灵活的设计，非常适合用于设计LED点阵的显示控制电路。该文介绍了在Altera公司的EDA开发环境Quartus 中，利用Verilog语言，在FPGA上设计LED点阵显示控制电路的方法关键词：FPGA LED点阵 VerilogAbstractEDA tools and PLD (contain CPLD and FPGA) are becoming the first choice in digit system design, as the continuate development of EDA and FPGA technology. LED matrix displayers need high frequency and exact time sequence, FPGA , which has high performance and flexible design, is the right choice to design the display control circuit. This paper introduced the design method of LED matrix display control circuit which was described by Verilog, on FPGA. The EDA tool is Quartus of Altera. Keywords : FPGA LED matrix Verilog课题简介内容：FPGA实验开发系统之LED点阵显示模块；要求：LED点阵显示屏的显示控制均由FPGA芯片实现； 要求能按输入显示0-9、A-F 16个字符和预设的图文； 有控制显示内容的移动、闪烁等功能； 将模块做成能与实验开发系统相连的功能板；1、 文献综述（包括本课题的现状和发展趋向）；本课题需用到与LED点阵显示屏、EDA（用FPGA）技术、PCB制板等相关技术知识。经查询资料，对上述相关方面的了解如下：LED点阵显示屏 参考:LED显示屏系统原理及工程技术诸昌钤LED器件种类繁多，早期LED产品是单个发光灯；随着数字化设备的出现，LED数码管和字符管得到了广泛的应用；LED显示屏的出现，适应了信息化社会发展的需要，成为了大众传媒的重要工具。LED发光灯可以分为单色、双色、三色发光灯，面发光灯，闪烁发光灯，电压型发光灯等多种类型。按发光强度又可分为普通亮度、高亮度、超高亮度发光灯等。LED点阵显示屏是由多个LED发光灯组成的点阵，通过各发光灯通断的不同组合，可显示任意图文。点阵可采用44、88、1616等多种形式，并可组成更大的点阵。其点阵由发光灯按行共阴（共阳）排列，驱动方式一般为按行扫描按列控制，对各行按顺序循环扫描，使各行按顺序循环接通，同时按列控制各列像素单元的通断，输出信号占空比来显示形状，颜色，灰度（占空比控制）。通过对显示数据按不同方法重编、刷新，可使显示内容产生平移，缩放，旋转等效果。LED点阵显示屏通过不同的控制可作为图文、图像、视频显示屏。LED发光器件的发光强度能达到100mcd以上（超高亮度），可以用于户外；色彩方面，基于红黄蓝三基色的全彩色LED显示屏已广泛应用；响应频率在16-160MHZ，足以显示6.5MHZ的视频信号；耗电量低，普通LED发光灯工作电流10mA，超高亮度LED为100mA,工作电压2V；可靠性高，寿命长，因为LED为固体器件，没有阴极老化等问题，抗冲击能力强。这些方面的综合性能较CRT、滤光白炽灯 、光导纤维，翻板等有优势，使其成为户外媒体的理想选择。在如今的信息化社会，随着对公共传媒需求的高速增长，LED显示屏会得到更快的发展。 EDA技术 参考: EDA技术实用教程潘松 黄继业 FPGA系统设计与实践黄智伟 Verilog数字系统设计教程夏宇闻EDA（Electronic Design Automation）技术就是依靠功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动的完成逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化，仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。其最终目标是完成用以实现既定功能的专用集成电路ASIC的设计和实现。其实现方法之一是用FPGA（Field Programmable Gate Array），它的特点是直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，技术维护简单，可靠性好。也称其为可编程专用IC。FPGA/CPLD的主流公司是Altera、Xilinx。以Altera公司产品为例，其FPGA器件采用钢铝布线的CMOS技术，具有非常低的功耗和非常高的速度，而且采用连续式的互连结构，提供快速的、连续的信号延时。其中应用比较广泛的是FLEX10系列，LUT结构实现逻辑功能，采用SRAM配置单元，用户I/O 59-470个，典型可用门1-25万门。用ByteBlasterMV并行下载电缆对FPGA进行配置时支持PS（Passive Serial），和JTAG模式。Altera的最新设计工具是Quartus4.2。具有工业标准EDA接口，能运行于多种操作平台上。能调用其它第三方工具进行综合仿真，其它工具也可直接调用Quartus的工具进行设计编辑。HDL语言有VHDL/Verilog HDL两种标准，VHDL有美国军方组织开发，Verilog则由民间公司的发展，因其优越性于1995年成为IEEE标准，但因为早在1983年就已推出，所以拥有更广泛的设计群体，更多成熟的资源。VHDL在系统级抽象方面有优势（特别是千万门级以上的系统级设计），而Verilog在门极开关电路描述方面强很多，而且更易掌握。Verilog 是专门为复杂数字系统的设计仿真而开发的，本身就非常适合复杂数字逻辑电路和系统的仿真和综合。由于Verilog在门极描述的底层比VHDL有更强的功能，VHDL设计环境在底层实质上也是由Verilog所描述的器件库所支持的。1998年，Verilog HDL-A并入Verilog HDL新标准，使其不仅支持数字逻辑电路的描述，还支持模拟电路的描述，因此在混合信号的电路系统的设计中，它会有更广泛的应用。2001年，Verilog IEEE1364-2001的推出，使Verilog在综合和仿真性能方面又有大幅提高。Verilog适合作为学习HDL设计的入门和基础。PCB 参考 Protel 2004 完全学习手册刘文涛PCB设计工具用Protel 2004，它较以前的版本有了很大的改进，如集成库概念，使在原理图中选择的元件就有了封装，也可以修改;采用了改进型的Situs Topological Autorouting布线规则，提高了布线成功率和准确性；提供了部分电路的混合模拟仿真，PCB和原理图上的信号完整性分析 这些改进使PCB设计更容易，成功率更高。2、 主要研究内容、方法； 本课题用4块共阴极88 单色LED点阵显示屏，排列成832的显示屏用作计算器的显示屏，使其显示16进制的16个字符和一些固定图像，并能控制显示内容的左右移动，闪烁，明暗。 通过对输入数据的译码，从RAM中的字库数据生成显示数据，在行扫描信号的作用下，将各行数据按行显示。帧刷新率达到25HZ时，看到的图像就显得稳定了。 左右移动可由改变列数据的位置的来控制。 明暗控制可由输出信号占空比来控制，用计数器和比较器就可实现占空比控制。 本课题主要研究内容是用FPGA实现译码电路，RAM，显示控制电路，扫描电路，显示电路等；FPGA的下载方式；LED显示屏的使用方法；以及制作PCB板的方法。 FPGA选用Altera公司的FLEX10K10LC84，设计工具主要为Quartus4.2 Web Edition, MAX plus 10.2 ，用Verilog描述语言设计。 LED点阵显示屏用TOM 788AS。 PCB设计工具为Protel 2004。