数电课程设计报告.doc

目录第一章 设计背景与要求（2）设计要求（2）第二章 系统概述（3） 2.1设计思想与方案选择（3） 2.2各功能块的组成（4） 2.3工作原理（8）第三章 单元电路设计与分析（9） 3.1各单元电路的选择（9） 3.2设计及工作原理分析（9）第四章 电路的组构与调试（12） 4.1遇到的主要问题（12） 4.2现象记录及原因分析（12） 4.3解决措施及效果（14） 4.4功能的测试方法、步骤，记录的数据（14）第五章 结束语（15） 5.1对设计题目的结论性意见及进一步的改进的意向说明（15） 5.2总结设计的收获和体会（16）附图（电路总图及各个模块详图）（17）参考文献（20）第1章 设计背景与要求本次设计的LCD（Liquid Crystal Display）显示控制电路是利用一定的硬件工具和适当的软件工具构成一个可以显示点阵字符的LCD移动式显示设备，此次设计不但可以设计出一定的文字显示电路，如果对显示器进行一定的修改则可以显示彩色文字、图形等等效果，这种设计是各种文字、图形显示设计的基础性架构，可以对以后的扩展做铺垫。设计要求本次设计的LCD现实控制电路采用了FPGA（FieldProgrammable Gate Array ）设计了一个文字显示LCD的接口控制电路，利用控制电路使LCD能够显示移动式的广告语或者是通知等，本次设计的显示内容将储存在ROM（Read-Only Memory ）中。第2章 系统概述2.1设计思想与方案选择采用微程序控制器的设计思想，将系统中所有的控制信号汇编成微指令存放在ROM中，然后利用一个可同步预置计数频率可变的计数器控制微指令的读取速度。系统开始运行后，从ROM中顺序的读取微指令代码，对HD44780进行有效的操作，实现显示字符的显示和刷新，而微指令的读取速度则由地址计数器的计数频率来进行调节。图一本实验选取的硬件环境为FPGA开发装置LP-2900，LCD与驱动芯片组构成LCM模组。LP-2900采用了以HD44780实现驱动控制的LCM。电路设计框图如图1，其中分频选择模块可用分频器实现，计数模块可以用计数器实现，ROM模块可以用库参数存储模块lpm_rom，然后通过数据线接到HD44780，控制逻辑模块经过分析后可以采用与非门实现。图二2.2各功能块的组成在设计中需要使用到的功能模块有：分频器：分频器的作用是产生不同频率的时钟脉冲信号，以便能够使之后的控制中获得理想的显示效果。计数器：计数器的作用是利用分频器所产生的不同频率的时钟脉冲信号保证在显示器读取数据和显示数据时采用不同的频率，在写入文字和微指令时采用较快的执行速度，在显示文字位移时采用较慢的执行速度，控制ROM中的地址刷新速度。ROM：ROM的作用是利用本身的储存能力，在有限的储存范围内，将要执行的微指令和文字实现保存在ROM中，在要执行操作时从ROM中读取需要执行的微指令和文字。HD44780：常用字符型LCD驱动控制器件，单行5*8、5*10或双行5*8显示，内部包含文字库并具有多种控制命令。HD44780内部包含有命令寄存器IR、数据寄存器DR、地址计数器AC和显示储存器DDRAM。HD44780说明：命令寄存器IR：在读出IR数据时，最高位的DB7是HD44780忙状态标志，低7位数据DB6DB0是地址计数器AC中的内容。BF为“1”时，HD44780内部进行操作；BF为“0”时，HD44780接收新的命令。地址计数器AC：HD44780的地址计数器为内部储存器DDRAM和CGRAM分配地址，其内部内容即为当前DDRAM和CGRAM的地址。当一条地址设置命令写入IR时，其中的地址码即送到地址计数器AC中。在读或者写的操作中，地址计数器AC自动加1或者减1。显示存储器DDRAM：DDRAM中共有128个8位存储单元，其中80个为显示RAM，分为两个地址不连续的存储区。地址为十六位进制00H27H的40个单元显示在LCD的第一行，地址为40H67H的40个单元显示在LCD的第二行。表1、LCD设置显示时数据存储单元地址与LCD显示位置对照表LCD显示位置12313141516第一行字符存储地址（hex）000102.0C0D0E0F.252627第一行字符存储地址（hex）404142.4C4D4E4F.656667 HD44780读写控制逻辑：当RS=1,R/W=0时，在EN信号下降沿，数据端口的数据被暂存到DR中，HD44780的内部操作写入计数器AC指定地址的DDRAM或CGRAM单元。当RS=0,R/W=0时，在EN信号下降沿，数据端口的命令写入IR，HD44780执行内部操作。表2、HD44780控制逻辑RSR/WEN功能00下降沿写命令码01高电平读BF标志和AC值10下降沿写显示数据码11高电平读显示数据码图三2.3工作原理本设计用途为LCD显示控制电路，工作原理为首先将需要操作的控制信号汇编成微指令代码储存在ROM中，然后利用分频器产生的不同频率来控制计数器计数速度，利用计数器控制ROM地址的读取速度，在进行微指令和显示文字写入的时候，逻辑控制电路给分频器一个信号，产生一个较高频率控制计数器计数，计数器在较高的时钟脉冲下对ROM进行地址读取，完成微指令和显示文字的读取；之后逻辑控制电路给分频器一个信号，产生一个较低频率控制计数器计数，计数器在较低的时钟脉冲下对ROM进行地址读取，完成显示文字位移操作。第3章 单元电路设计与分析3.1各单元电路的选择分频器：利用8片7490制作分频电路，利用74151选择频率。计数器：带有8位数据总线，SLOAD、SCLR和时钟控制功能CLOCK的计数器。ROM：带有12位输出总线和时钟控制功能CLOCK，内部储存容量256字节，12位储存单元的ROM。3.2设计及工作原理分析先利用8片7490制作一个分频电路，将FLEX10KA总产生的OSC固定10MHz的频率通过分频器分别产生10MHz、1MHz、100KHz、10KHz、1KHz、100Hz、10Hz、1Hz的不同频率，然后利用74151数据选择器对频率进行选择。图三然后建立一个.hex文件，将微指令代码和显示文字输入在文件中，建立一个ROM储存器，ROM选择输入端口锁存，将.hex文件导入ROM中，使系统开启时文件能够读入从而开始执行系统。表3、Hex微指令代码创建一个计数器，计数器的时钟有分频器负责输入一个脉冲信号，计数器的输出控制ROM的地址，计数速度控制ROM的地址刷新速度。在写命令周期设置地址刷新速度为0.01S；在控制显示位移数据时，设置地址刷新速度为1S。故为了能够到达可变频率设置，需要在12位控制命令中设置一位频率选择信号SL，控制数据选择器选择不同频率的时钟作为地址计数器的计数脉冲。在.Hex文件中，我们需要显示的内容不断的左右移动，执行相同的一段命令，故在12位控制命令中设置一个含有微指令修改ROM下一条取指地址，设置LD作为地址计数器预置数控制信号。实现存储器地址的修改。为了在运行中避免地址修改指令被误发至HD44780，则可以执行跳转指令时封锁使能信号EN，如此则需要在微指令中增加一位EN选通信号OE，在指令跳转时该信号无效，EN不能产生正脉冲。表4、微指令编码位序功能及序位D11D10D9D8D7D0信号名SLLDOERS命令或数据写入IR0/1010HD44780命令写入DR0/1011显示字符的ASCII码数据存储器地址修改*10*指令跳转目标地址 最后设置控制逻辑电路，使RESET键按下后能够重启系统。高4位D11D8信号功能对照SL：频率选择信号LD：地址计数器预置数控制信号OE：EN选通信号RS：寄存器选择信号第4章 电路的组构与调试4.1遇到的主要问题在分频器做好之后需要得到不同的频率，在读写过程中需要产生一个较快的速度0.01S，但是在显示的时候需要一个较慢的速度1S，设计中，我们设置了一位SL作为频率选择信号来参与频率信号的选择，但是74151中的频率选择采用的是3位有效二进制数，就是采用3个0、1信号编组产生8种不同的选择模式，在实际的设计过程中发现所需要的频率100Hz和1Hz所代表的二级制编组为101和011，故可以发现，第三位的1是不变的，一个Vcc接在第三位上，而在读写操作和显示操作中SL需要一次改变，所以在这个问题上遇到了一个如何选用信号的问题，即可以使用其他的信号来控制前两位的输入信号，只要是利用了读写和显示操作发生一次转变即可，再利用一个反相器即可获得理想的频率改变效果。4.2现象记录及原因分析在进行软件仿真中获得了一组数据，在进行GROUP组合之后发现与微指令中的HD44780数据部分不能够重合，在与其他人员进行校对后发现也同样出现此类效果，原因极有可能为计算机在进行运行程序中，十进位与十六进位所引发的软件问题，如果修改成统一的十六进制后则能够获得统一的数据使其重合。图四图五4.3解决措施及效果在实际的过程中，依然利用了SL作为频率的选择信号，利用SL的改变，控制在读写操作和显示操作转变中的变换效果，利用一个反相器，在转变过程中，频率选择信号自然从101转变为011，使得频率能够在读写操作结束以后迅速的转变为1Hz的速度上来，适应人们对于阅读文字的需求。在实验器材上的实际效果也非常的出色，对于10Hz和0.1Hz而言有着不可比拟的优势。4.4功能的测试方法、步骤，记录的数据在完成计算机仿真之后进行了FLEX10K上的运行。程序导入过程中显示绿灯，一切正常，运行开始，数据已0.01S的速度读入显示器，当第一行Better City Better Life!读完后，第二行开始读入数据Welcome to Shanghai!之后两行文字开始以1S的速度移动，文字先向左移动10次，然后向右移动10次，然后进入循环移动过程，当按下设定好的RESET键后，整个屏幕进入白屏，系统重启，数据开始重新读入，重新开始运行操作过程。第5章 结束语5.1对设计题目的结论性意见及进一步的改进的意向说明 本次设计利用了FLEX10K中的LCD显示器使生活中常见的移动文字广告牌有了实质性的了解，对整个过程有了深入的了解，在推广应用方面，利用本次设计带来的机会，学到了移动文字广告牌的内涵，所使用的设备，在未来的学习中，希望将本次实验加以推广，从简单的2行5*8的设计中学会更大型文字显示设备的原理，对文字的字体能够进行修改，文字的颜色方面做出一定的改变，利用更先进的设备能够获得更加多功能的文字效果，通过对软件方面的修改进而省略一定的硬件开支的方法，如何获得更好的可移植性，使整个设计思路能够在不同的平台获得较好的效果。5.2总结设计的收获和体会每一个设计都凝集了一个个人或者一个集体的智慧，从最简单的分频到计数器，ROM的考虑到最后总设计图的完成，都需要大量的时间和精力的投入，在设计中能够真正体会到努力的付出与回报是成正比的。在设计中遇到的问题及其对设计完成后有了更多的想法，激发了希望深刻了解本次设计的各种设备，并希望能够利用一些其他更先进的设备设计出更好更出色的设计效果，不断的创新。在设计中把现实的课程应用到实际当中，把理论的知识强化到现实的设计中。在将来的设计中，不论是个人和团队都能够一步一步的做到最没有遗憾的设计，收获的不仅仅是本次设计带来的好处，要从本次设计中获得更多的扩展，能够适应以后不同的环境，不论有多难，只要能够付出足够的努力都能够获得一个合理的回报，在未来的竞争中获得对自己有利的