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基于FPGA的16x16点阵显示汉字设计.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.56M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    基于 FPGA 及 VHDL 的 LED 点阵汉字滚动显示设计方案 [导读] 汉字滚动显示器的传统设计方法是用单片机来控制的，虽然单片机方案具有价格低 廉，程序编程灵活等特点，但由于单片机硬件资源的限制，未来对设计的变更和升级，总是 关键词：汉字显示 LED 点阵 汉字滚动显示器的传统设计方法是用单片机来控制的，虽然单片机方案具有价格低廉，程序 编程灵活等特点，但由于单片机硬件资源的限制，未来对设计的变更和升级，总是要付出较多研 发经费和较长投放市场周期的代价，甚至有可能需要重新设计。况且，在以显示为主的系统中， 单片机的运算和控制等主要功能的利用率很低，单片机的优势得不到发挥，相当于很大的资源浪 费。 采用 EDA 技术的自顶向下的模块化设计方法，借助相关开发软件，例如 QualtusⅡ软件，将 硬件描述语言——VHDL 程序固化于具有丰富 I/O 口、内部逻辑和连线资源的 FPGA(现场可编程门 阵列)中。该技术具有系统设计效率高、集成度好、保密性强、易于修改、易于实现等优点，成 为当今数字系统设计主流技术。此方式所制作的 LED 点阵控制器，由于是纯硬件行为，具有速度 快、可靠性高、抗干扰能力强、开发周期短等显著优点。 1 EDA 点阵显示汉字原理 以 8×8 的 LED 点阵为例，8×8 的 LED 点阵是由 64 个发光二极管按矩阵形式排列而成，每 一行上的发光管有一个公共的阳极(或阴极)，每一列上的发光管有一个公共的阴极(或阳极)，一 般按动态扫描方式显示汉字或图形。扫描分为点扫描、行扫描和列扫描三种方式。行扫描需要按 行抽取字型码，列扫描则需要按列抽取字型码。为满足视觉暂留要求，若使用点扫描方式，其扫 描频率必须大于 16×64=1 024Hz，周期小于 1ms。若使用行或列扫描，则频率必须大于 16×8=128Hz，周期小于 7.8ms。由于所用实验板上提供有 1 kHz 的时钟，本例设计中利用该时 钟进行扫描，使每行扫描时间为 1 ms，实验结果显示亮度合适。现以行扫描为例简单说明动态 扫描显示的原理。图 1 给出汉字“热”在点阵为列共阳时的行字模。工作时先将要扫描行的点阵 字模从各列上输出，再让译码器选中(扫描)该行，使本行得以显示，接着再送下一行数据，再使 下一行有效，直到 8 行全被扫描一遍。至此，一幅完整的文字信息就显现出来，然后再反复扫描 这 8 行直至显示新的信息。以下设计采用行扫描方式实现滚动显示。
    2 硬件原理图 整个电路由五大部分组成：时钟计数模块 GEL_CLK，存储汉字字模的 ROM 模块 ROMZI，数据 分配器模块 MUX，移位模块 YW 及显示模块 XIANSH-I。时钟计数模块用于产生整个电路所需要的 时钟及其对时钟的计数值，例如：移位时钟 CLK YW，移位计数器 CNT YW，字计数器 CNT WORD， 显示扫描计数器 CNT SM。ROMZI 模块是由 QualtusⅡ中的 LPM 1PORT ROM 定制成，用来存储 8 个 待显示的汉字。MUX 模块用于在扫描时钟及扫描计数器的作用下，从 ROM 中读出一个汉字的 8 个 行字模信息，送给移位模块 YW，YW 模块在移位时钟及移位计数器作用下，根据 SELECT 信号选择 对读出的字模信息，进行相应的移位(左移、右移、上移、下移)后，最后送显示模块 DISP 驱动 LED 点阵显示汉字。原理图如图 2 所示。
    3 模块设计及时序仿真 3.1 时钟计数产生模块 时钟计数产生模块由 1 kHz 的输人时钟为基准，进行 17 位的循环计数 CNT[16..O]。该时钟， 既是动态扫描显示的时钟，也是从 ROM 中取一个字 8 个字模的时钟，对之进行的 3 位循环计数作 为扫描显示计数器和取一个字的字型码计数器。CNT[16..O]中的 CNT[9]是对该时钟的 1 024 分 频，将其作为移位时钟 CNT_YW，周期约为 l s。CNT[13…lO]作为 4 位的移位计数器，是对移位 时钟 CLK_YW 的计数，也是对移位位数的统计。16 个状态使一个汉字逐列移进点阵，又逐列移出。 每经过 16 个移位时钟，将会显示完一个汉字。CNT[16..14]作为 3 位的取字计数器。 CNT[16…14]&CNT[2..O]作为 ROM 地址发生器。 3.2 ROMZI 模块 利用 LPM 参数化模块库中单口 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，其中存储待显示汉字的字模数据，然后按照 LPM MegaWizardPlug-In Manager 的向导提示，结合设计要求进行定制。
    图 3 为所定制 ROM 中的初始化汉字“元旦生日开心快乐”的字型码。数据分配模块 MUX 要求 能在 8 个时钟作用下，从 ROM 中读出一行(一个汉字的 8 个字型码)分别送到数据分配器中的 WLl～ WL8 输出端。图 4 为数据分配模块在扫描时钟作用下读取的字模数据，比较图 3 和图 4 可知，仿 真结果正确，能满足题目要求。 3.3 移位模块 YW 移位模块 YW 是整个设计的核心，行扫描实现左移，是通过每来一个移位时钟，将每一行的 字模按位左移一位，扫描时钟到来时送出移位后的新字模。通过 8 次移位，可将一个汉字移出点 阵平面，按类似的道理，也可以将一个汉字经 8 次移位后移进点阵平面。本例(图 2)中，CNT YW 为移位时钟的计数值，以 WLl～WL8 为欲显示汉字的原始字模，L10～L80 为移位后从列上送出的 8 行显示字模信息，LLl～LL8 为 8 个原始字模信息未送出位的暂存信号。设计中需要 16 个移位 时钟，通过前 8 个时钟将 WLl～WL8 字模移进 LED 点阵平面，再经后 8 个时钟，将汉字又一位一 位地移出。 移位设计参考文献中有关移位寄存器的设计，分计数值为“0000"和非"0000"两部分 处理，对第一行字模的处理为：
    其他行可按相同方法处理，具体参见如下的程序：
    右移处理方法与上面左移相反，如对第一行可按如下方法处理： 上移时的部分程序按以下思路编制：L10～L70 在 CNT_YW 为初态“0000”时，各信号均赋值 X“00”，非初态时，均进行上移一位。即：L10<=L20;L20<=L30;…;L60<=L70;L70<=L80;对于 L80，在汉字移进 LED 过程中即前 8 个状态各移进一个新行，在移出 LED 即后 8 个状态时，都补 进 X“00”。程序如下： 下移程序可按相反思路去编。 3.4 显示模块 DISP 设计
    显示模块 DISP 是以 CNT_SM 为扫描计数器，是对 1kHz 进行三位循环计数，由前述的时钟计 数产生模块产生，WLl～WL8 为待送出显示的 8 个 8 位字型码，由前述的移位模块 YW 提供;SW[7..O] 为行扫描输出信号，连接至点阵的 8 个行;DATA[7..0]为行扫描时对应的列输出字型码，对外连 至点阵的 8 列。该模块参考文献中数码管动态显示程序进行设计如下： 4 硬件实现
    上述各模块分别在 QualtusⅡ中通过了仿真验证，最后对整体设计进行了硬件验证。将设计 载入 KH31001 开发板的 Cyclone 工系列 EPlC6Q-240C8FPGA 器件中，实验证明汉字滚动显示扫描 情况均正常，能够按照预想进行移位显示，这说明。FPGA 的内核硬件工作良好，可以正确地实 现所要求的设计功能。 5 系统扩展 本文是针对 8×8 点阵设计，故每次取 8 个字形码，如果是 16×16 点阵，将 RONZI 中存储的 字形码改为 16 位，数据线改为 16 位，一个汉字需要 16 个 16 位的字形码，数据分配模块 MUX、 移位模块 YW、显示模块 DISP，均要将输入输出数据中的原来的 8 位改成相应的 16 位。扫描及取 字型码计数器 CNT_SM 应改为 CNT 计数器的低 4 位。一个 16×16 点阵汉字的移进移出共需 32 个 状态。由 5 位的计数器提供。如用 CNT[16..0]中的 14～10 位作为该计数器，这可在时钟计数器 产生单元 CLK_GE 中应做相应修改，字计数器 CNT WORD 按照每取 16 个字进行加 1 统计。显示 DISP 部分的译码器要由 3-8 译码改为 4-16 译码。显示的汉字信息越多，ROM 的地址线位数越多，字 计数器 CNT_WORD 应在时钟计数器产生单元 GE_CLK 中，将相应的计数器位数扩展，由 CNT 计数器 的最高位到位 15 来承担。若还是 8 个汉字，计数器应为 CNT[17..O]，CNT[17..15]为字计数器; 若为 16 个汉字，计数器应为 CNT[18..O]，CNT[18..15]为字计数器，…，依次类推。 6 结语 本文在 KH31001 开发板上实现了基于 Altera 公司的 Cyclone I 系列 FPGA 器件 EPlC6Q240C8 硬件及 VHDL 硬件描述语言设计的 LED 点阵汉字滚动显示，能在 8×8 点阵上滚动显示“元旦生日 开心快乐”8 个汉字。文中从 LED 点阵显示汉字的原理阐述出发，给出了点阵汉字滚动显示控制 器的原理图，部分模块的 VHDL 源程序及时序仿真图，并能由按键选择其滚动方式：左移、右移、 上移、下移等，给出了系统扩展成 16×16 点阵汉字滚动的改动思路。从文中描述的系统扩展方 案中看出，当系统显示字符个数变化时，只需对控制逻辑和连接关系做适当的修改，再将修改完 成的程序下载到器件即可，显然，系统的维护和修改是极其方便和容易的，本文对同类设计也具 有一定的参考价值。
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