0 引言

現(xiàn)代文明的一個顯著特征是城市中隨處可見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(yīng)用在銀行,、醫(yī)院、酒店,、火車站,、體育場館等各種公共場所。

漢字滾動顯示器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是用單片機(jī)來控制的,，雖然單片機(jī)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(jī)硬件資源的限制,，未來對設(shè)計(jì)的變更和升級,，總是要付出較多研發(fā)經(jīng)費(fèi)和較長投放市場周期的代價(jià)，甚至有可能需要重新設(shè)計(jì),。況且,，在以顯示為主的系統(tǒng)中，單片機(jī)的運(yùn)算和控制等主要功能的利用率很低，單片機(jī)的優(yōu)勢得不到發(fā)揮,，相當(dāng)于很大的資源浪費(fèi),。

采用EDA技術(shù)的自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法，借助相關(guān)開發(fā)軟件,，例如QualtusⅡ軟件,，將硬件描述語言——VHDL程序固化于具有豐富I／O口、內(nèi)部邏輯和連線資源的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)中,。該技術(shù)具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率高,、集成度好、保密性強(qiáng),、易于修改,、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qiáng)、開發(fā)周期短等顯著優(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)光管有一個公共的陽極(或陰極),，每一列上的發(fā)光管有一個公共的陰極(或陽極),，一般按動態(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,。為滿足視覺暫留要求,，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(yàn)板上提供有1 kHz的時(shí)鐘，本例設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果顯示亮度合適?，F(xiàn)以行掃描為例簡單說明動態(tài)掃描顯示的原理。圖1給出漢字“熱”在點(diǎn)陣為列共陽時(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,，接著再送下一行數(shù)據(jù),，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(xiàn)出來，然后再反復(fù)掃描這8行直至顯示新的信息,。以下設(shè)計(jì)采用行掃描方式實(shí)現(xiàn)滾動顯示,。



2 硬件原理圖

整個電路由五大部分組成：時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊GEL_CLK，存儲漢字字模的ROM模塊ROMZI,，數(shù)據(jù)分配器模塊MUX,，移位模塊YW及顯示模塊XIANSH-I。時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊用于產(chǎn)生整個電路所需要的時(shí)鐘及其對時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值,，例如：移位時(shí)鐘CLK YW,，移位計(jì)數(shù)器CNT YW，字計(jì)數(shù)器CNT WORD,，顯示掃描計(jì)數(shù)器CNT SM。ROMZI模塊是由QualtusⅡ中的LPM 1PORT ROM定制成,，用來存儲8個待顯示的漢字,。MUX模塊用于在掃描時(shí)鐘及掃描計(jì)數(shù)器的作用下，從ROM中讀出一個漢字的8個行字模信息,，送給移位模塊YW,，YW模塊在移位時(shí)鐘及移位計(jì)數(shù)器作用下，根據(jù)SELECT信號選擇對讀出的字模信息,，進(jìn)行相應(yīng)的移位(左移,、右移、上移,、下移)后,，最后送顯示模塊DISP驅(qū)動LED點(diǎn)陣顯示漢字。原理圖如圖2所示,。



3 模塊設(shè)計(jì)及時(shí)序仿真

3．1 時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生模塊

時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生模塊由1 kHz的輸人時(shí)鐘為基準(zhǔn),，進(jìn)行17位的循環(huán)計(jì)數(shù)CNT[16．．O]。該時(shí)鐘,，既是動態(tài)掃描顯示的時(shí)鐘,，也是從ROM中取一個字8個字模的時(shí)鐘,，對之進(jìn)行的3位循環(huán)計(jì)數(shù)作為掃描顯示計(jì)數(shù)器和取一個字的字型碼計(jì)數(shù)器。CNT[16．．O]中的CNT[9]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(jì)數(shù)器,，是對移位時(shí)鐘CLK_YW的計(jì)數(shù),，也是對移位位數(shù)的統(tǒng)計(jì)。16個狀態(tài)使一個漢字逐列移進(jìn)點(diǎn)陣,，又逐列移出,。每經(jīng)過16個移位時(shí)鐘，將會顯示完一個漢字,。CNT[16．．14]作為3位的取字計(jì)數(shù)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(shù)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(shù)據(jù),，然后按照LPM MegaWizardPlug-In Manager的向?qū)崾?，結(jié)合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定制。





圖3為所定制ROM中的初始化漢字“元旦生日開心快樂”的字型碼,。數(shù)據(jù)分配模塊MUX要求能在8個時(shí)鐘作用下,，從ROM中讀出一行(一個漢字的8個字型碼)分別送到數(shù)據(jù)分配器中的WLl～WL8輸出端。圖4為數(shù)據(jù)分配模塊在掃描時(shí)鐘作用下讀取的字模數(shù)據(jù),，比較圖3和圖4可知,，仿真結(jié)果正確，能滿足題目要求,。

3．3 移位模塊YW

移位模塊YW是整個設(shè)計(jì)的核心,，行掃描實(shí)現(xiàn)左移，是通過每來一個移位時(shí)鐘,，將每一行的字模按位左移一位,，掃描時(shí)鐘到來時(shí)送出移位后的新字模。通過8次移位,，可將一個漢字移出點(diǎn)陣平面,，按類似的道理，也可以將一個漢字經(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(jì)數(shù)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個原始字模信息未送出位的暫存信號,。設(shè)計(jì)中需要16個移位時(shí)鐘，通過前8個時(shí)鐘將WLl～WL8字模移進(jìn)LED點(diǎn)陣平面,，再經(jīng)后8個時(shí)鐘,，將漢字又一位一位地移出。移位設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)中有關(guān)移位寄存器的設(shè)計(jì),，分計(jì)數(shù)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過程中即前8個狀態(tài)各移進(jìn)一個新行，在移出LED即后8個狀態(tài)時(shí),，都補(bǔ)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(shè)計(jì)

顯示模塊DISP是以CNT_SM為掃描計(jì)數(shù)器,，是對1kHz進(jìn)行三位循環(huán)計(jì)數(shù),，由前述的時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生，WLl～WL8為待送出顯示的8個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個行,；DATA[7．．0]為行掃描時(shí)對應(yīng)的列輸出字型碼，對外連至點(diǎn)陣的8列,。該模塊參考文獻(xiàn)中數(shù)碼管動態(tài)顯示程序進(jìn)行設(shè)計(jì)如下：




4 硬件實(shí)現(xiàn)

上述各模塊分別在QualtusⅡ中通過了仿真驗(yàn)證,，最后對整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。將設(shè)計(jì)載入KH31001開發(fā)板的Cyclone工系列EPlC6Q-240C8FPGA器件中,，實(shí)驗(yàn)證明漢字滾動顯示掃描情況均正常,，能夠按照預(yù)想進(jìn)行移位顯示，這說明,。FPGA的內(nèi)核硬件工作良好,，可以正確地實(shí)現(xiàn)所要求的設(shè)計(jì)功能,。

5 系統(tǒng)擴(kuò)展

本文是針對8×8點(diǎn)陣設(shè)計(jì)，故每次取8個字形碼,，如果是16×16點(diǎn)陣,，將RONZI中存儲的字形碼改為16位，數(shù)據(jù)線改為16位,，一個漢字需要16個16位的字形碼,，數(shù)據(jù)分配模塊MUX、移位模塊YW,、顯示模塊DISP,，均要將輸入輸出數(shù)據(jù)中的原來的8位改成相應(yīng)的16位。掃描及取字型碼計(jì)數(shù)器CNT_SM應(yīng)改為CNT計(jì)數(shù)器的低4位,。一個16×16點(diǎn)陣漢字的移進(jìn)移出共需32個狀態(tài),。由5位的計(jì)數(shù)器提供。如用CNT[16．．0]中的14～10位作為該計(jì)數(shù)器,，這可在時(shí)鐘計(jì)數(shù)器產(chǎn)生單元CLK_GE中應(yīng)做相應(yīng)修改,，字計(jì)數(shù)器CNT WORD按照每取16個字進(jìn)行加1統(tǒng)計(jì)。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的地址線位數(shù)越多，字計(jì)數(shù)器CNT_WORD應(yīng)在時(shí)鐘計(jì)數(shù)器產(chǎn)生單元GE_CLK中,，將相應(yīng)的計(jì)數(shù)器位數(shù)擴(kuò)展,，由CNT計(jì)數(shù)器的最高位到位15來承擔(dān)。若還是8個漢字,，計(jì)數(shù)器應(yīng)為CNT[17．．O],，CNT[17．．15]為字計(jì)數(shù)器；若為16個漢字,，計(jì)數(shù)器應(yīng)為CNT[18．．O],，CNT[18．．15]為字計(jì)數(shù)器，…,，依次類推,。

6 結(jié)語

本文在KH31001開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了基于Altera公司的Cyclone I系列FPGA器件EPlC6Q240C8硬件及VHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)的LED點(diǎn)陣漢字滾動顯示，能在8×8點(diǎn)陣上滾動顯示“元旦生日開心快樂”8個漢字,。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方式：左移,、右移、上移,、下移等,，給出了系統(tǒng)擴(kuò)展成16×16點(diǎn)陣漢字滾動的改動思路,。從文中描述的系統(tǒng)擴(kuò)展方案中看出，當(dāng)系統(tǒng)顯示字符個數(shù)變化時(shí),，只需對控制邏輯和連接關(guān)系做適當(dāng)?shù)男薷?，再將修改完成的程序下載到器件即可，顯然,，系統(tǒng)的維護(hù)和修改是極其方便和容易的,，本文對同類設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。