郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 三門峽 472000）

基于FPGA的漢字點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 三門峽 472000）

利用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)了一個(gè)16×16的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)VHDL程序從EEPROM（AT28C64）中取出相應(yīng)的漢字代碼，經(jīng)過FPGA處理后，送給LED點(diǎn)陣顯示，在相應(yīng)電路控制下，能夠變換不同的漢字。具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

可編程邏輯器件；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；LED顯示；超高速硬件描述語言；QuartusII

LED顯示屏技術(shù)是集光電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和視頻技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，它的發(fā)光部分由LED（即發(fā)光二極管）點(diǎn)陣拼裝組成，其優(yōu)點(diǎn)是耗電量少，亮度高，工作電壓低，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定。顯示屏面積可以根據(jù)需要由單元模塊任意拼裝，響應(yīng)速度快。［1］LED顯示屏以其豐富的色彩變化，圖案，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示模式，完美的多媒體效果和強(qiáng)大的視覺沖擊力，將信息以文字、圖片、動(dòng)畫及視頻等多種方式顯示出來，成為信息傳播的劃時(shí)代產(chǎn)品，在鐵路、民航、體育場(chǎng)館、會(huì)議廳、高速公路、廣場(chǎng)、大型商場(chǎng)、銀行、證券市場(chǎng)以及多種監(jiān)控調(diào)度中得到了廣泛的應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用FPGA（Field Programmable Gate Arra，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）來設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA是一種高密度可編程邏輯器件，它支持系統(tǒng)可編程，通過寫入不同的配置數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能，使用FPGA來設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)周期短、易于修改、可靠性高等明顯優(yōu)點(diǎn)。此外，隨著可編程邏輯器件和EDA技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的電子系統(tǒng)采用FPGA來設(shè)計(jì)，一旦該系統(tǒng)達(dá)到一定的產(chǎn)量規(guī)模，較容易轉(zhuǎn)化為ASIC（專用集成電路）芯片設(shè)計(jì)，而且具有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。［2］

本設(shè)計(jì)通過FPGA的引入，利用EDA工具軟件QuartusII，設(shè)計(jì)了一種LED點(diǎn)陣顯示控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了LED屏自動(dòng)掃描的功能，大幅提高了LED屏的頻率。［3］

1 漢字點(diǎn)陣顯示原理

漢字點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)實(shí)際上就是利用FPGA產(chǎn)生EEPROM（AT28C64）的對(duì)應(yīng)地址A9～A0，接收來自EEPROM（AT28C64）的字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)D7～D0，同時(shí)對(duì)外產(chǎn)生16×16LED點(diǎn)陣相應(yīng)掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)提出的功能要求，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)大致包括如下幾個(gè)組成部分：漢字選擇電路、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)讀取電路、顯示掃描等部分組成。系統(tǒng)電路組成框圖如圖1所示。

圖1 漢字點(diǎn)陣系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Chinese characters dot matrix system composition

點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一組很小的發(fā)光二極管，排列緊密而且規(guī)則。當(dāng)點(diǎn)亮其中的一些燈，而熄滅一些燈時(shí)，點(diǎn)陣就可以顯示圖符。16×16的點(diǎn)陣引腳除電源和地線外還有十六根行掃描引腳，十六根列掃描引腳。點(diǎn)陣工作時(shí)，電源和地線固定連接好，當(dāng)某一些行掃描和列掃描有信號(hào)時(shí)，點(diǎn)陣中對(duì)應(yīng)交點(diǎn)上發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。但是使用這種方法只能使點(diǎn)陣顯示一個(gè)矩形圖符。如果需要顯示更為復(fù)雜的圖符，如漢字、圖案等則需要用另外一種方法，既行掃描信號(hào)是以固定周期和固定次序循環(huán)變化，而列掃描信號(hào)在行掃描信號(hào)在某一特定值時(shí)，給出一組特定的數(shù)據(jù)。當(dāng)行掃描信號(hào)變化周期比較快時(shí)，通過肉眼觀察到的圖符就是一個(gè)完整的。通過這種方法，可以用點(diǎn)陣顯示復(fù)雜的圖符。如果設(shè)計(jì)成點(diǎn)陣顯示圖符按某種事先指定的方法變化，則可以顯示動(dòng)畫或其他信息。［4］

16×16掃描LED點(diǎn)陣的工作原理同多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示類似。它有16個(gè)共陰極輸出端口，每個(gè)共陰極對(duì)應(yīng)有16個(gè)LED顯示燈。所以其掃描譯碼地址是4位信號(hào)線。EEPROM（AT28C64）存儲(chǔ)器是電擦除／編程的只讀存儲(chǔ)器，容量為8k× 8Bit，有13位并行地址線和8位并行數(shù)據(jù)線，而一個(gè)完整的字符所需的存儲(chǔ)空間為32字節(jié)即32× 8Bit，也就是說EEPROM（AT28C64）最多可連續(xù)存256個(gè)16×16點(diǎn)陣字形。存儲(chǔ)方式可事先約定好。設(shè)計(jì)者也可自己利用字模軟件產(chǎn)生漢字代碼，編寫字庫。

字庫格式如圖2所示。這是一16×16點(diǎn)陣字庫，一個(gè)字占32個(gè)字節(jié)，例如“正”：

該字所對(duì)應(yīng)的32個(gè)字節(jié)是：

圖2 字庫格式Fig.2 Font format

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)各電路模塊設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)。根據(jù)點(diǎn)陣顯示原理，一個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字共占用32個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)三十二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，以輸入脈沖作為地址產(chǎn)生電路的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)，待計(jì)數(shù)至32瞬間地址產(chǎn)生電路則清零并重新計(jì)數(shù)。重復(fù)選擇該漢字的32個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，從EEPROM（AT28C64）數(shù)據(jù)輸出端口送出。

（2）數(shù)據(jù)讀取電路設(shè)計(jì)。當(dāng)提供給EEPROM（AT28C64）相應(yīng)的地址后，EEPROM（AT28C64）即在I／OK口輸出8位并行數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)分析，只要求讀出字庫數(shù)據(jù)并顯示，所以可以直接將EEPROM（AT28C64）的片選端（CE）、輸出使能端（OE）直接接地，這樣讀取數(shù)據(jù)只需要提供地址就可以了。讀出的數(shù)據(jù)送到LED點(diǎn)陣的行線上。

（3）漢字選擇電路設(shè)計(jì)。根據(jù)EEPROM（AT28C64）中漢字?jǐn)?shù)據(jù)存放的特點(diǎn)，可以分析出前第一個(gè)漢字的地址為0000000000000―00000 0001 1111，第二個(gè)漢字的字節(jié)地址為0 0000 0010 0000—0 0000 0011 1111，……通過觀察，我們不難分析出每個(gè)漢字的所有數(shù)據(jù)地址低5位都是相同的，要想選擇不同的漢字，只要改變高8位地址即可。在這里本項(xiàng)目提供的字模數(shù)為23個(gè)漢字。因此只需提供一個(gè)23進(jìn)制的計(jì)數(shù)器就可以循環(huán)選擇不同的漢字。通過LED點(diǎn)陣屏顯示出來。

（4）顯示掃描電路設(shè)計(jì)。從EEPROM（AT28C64）讀出的數(shù)據(jù)，要正確的顯示在LED點(diǎn)陣屏上，必須將數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的位置，讀出的單個(gè)漢字?jǐn)?shù)據(jù)要依次放在W0，W1，W2，…，W31列。而其中W0―W15在上半部分，W16―W31在下半部分。因而讀出的每個(gè)字前十六個(gè)數(shù)據(jù)地址為＊＊＊＊＊＊＊＊00000―＊＊＊＊＊＊＊＊0 1111，后十六個(gè)數(shù)據(jù)地址為＊＊＊＊＊＊＊＊1 0000―＊＊＊＊＊＊＊＊1 1111，通過觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，前十六個(gè)數(shù)據(jù)地址和后十六個(gè)數(shù)據(jù)地址中只有ADDR4不同，其余地址范圍都是從0000―1111變化，因此用ADDR4來分配數(shù)據(jù)的上、下兩部分。同時(shí)低四位地址用來將數(shù)據(jù)顯示在 W0―W31相應(yīng)位置，最終還原出一個(gè)漢字。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)各部分電路功能的分析，整個(gè)系統(tǒng)包括以下三個(gè)模塊：字庫點(diǎn)陣數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生模塊ADDR、漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)選擇地址產(chǎn)生模塊HZ＿SEL、漢字點(diǎn)陣頁面數(shù)據(jù)分配模塊PAGE。系統(tǒng)整體原理圖如圖3所示。

圖3 漢字點(diǎn)陣系統(tǒng)整體原理圖Fig.3 Chinese characters dot matrix system principle diagram

3 VHDL源程序設(shè)計(jì)及仿真

本系統(tǒng)三個(gè)模塊：字庫點(diǎn)陣數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生模塊ADDR、漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)選擇地址產(chǎn)生模塊HZ＿SEL、漢字點(diǎn)陣頁面數(shù)據(jù)分配模塊PAGE，均在EDA開發(fā)工具軟件QuartusII中采用VHDL語言文本輸入設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，并在QuartusII中實(shí)現(xiàn)仿真、編譯。［5］以字庫點(diǎn)陣數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生模塊為例，其VHDL源程序設(shè)計(jì)如下：

字庫點(diǎn)陣數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生模塊的仿真波形如圖4所示。

圖4 字庫點(diǎn)陣數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生模塊仿真波形Fig.4 Simulation waveform of font bitmap data address generation module

4 小 結(jié)

本系統(tǒng)在點(diǎn)陣顯示的設(shè)計(jì)中，利用動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理，同時(shí)利用讀取數(shù)據(jù)的地址作為掃描的信號(hào)，大大簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)。此外，可以擴(kuò)展系統(tǒng)工作的外圍電路：掃描信號(hào)發(fā)生器、直流工作電源、地址譯碼電路等，使其成為一個(gè)完整的獨(dú)立系統(tǒng)。還可以考慮增加系統(tǒng)功能，如使?jié)h字進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或按照一定位移速度移動(dòng)顯示等，使整個(gè)系統(tǒng)更實(shí)用?；贔PGA的漢子點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)性能更穩(wěn)定，顯示效果更多樣化，而且便于實(shí)現(xiàn)，尤其在大批量生產(chǎn)時(shí)其優(yōu)勢(shì)更為明顯，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。［6］

［1］ 張著，程震先，劉繼華.數(shù)字設(shè)計(jì)—電路與系統(tǒng)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

［2］ 曉暉，熊建國(guó).出租車計(jì)費(fèi)器的FPGA設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（23）：210－212.

［3］ 童星，熊文龍.基于CPLD的LED顯示控制板［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2007（1）：144－147.

［4］ 趙世強(qiáng).電子電路EDA技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

［5］ 潘松，王國(guó)棟.VHDL實(shí)用教程［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，2000.

［6］ 唐楊波.基于單片機(jī)和CPLD共同控制的LED大屏幕顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) ［J］，2009（13）：24－25.

The Design of Chinese Characters Dot Matrix Display System Based on the FPGA

GUO Zhidong
（Department of Mechanical and Electronic Engineering，Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia 472000，China）

Use of programmable logic devices to design a 16×16LED dot matrix display system，through the design of VHDL program from EEPROM（AT28C64）out of the corresponding Chinese characters code，after treatment with FPGA，to the LED dot matrix display，in the corresponding circuit control，it can transform different Chinese characters.The system has a broad application value.

PLD；FPGA；LED display；VHDL；QuartusII

TP 316

A

1671－7880（2012）05－0045－04

2012－06－26

郭志冬（1981— ），男，河南焦作人，助教，河南科技大學(xué)控制工程專業(yè)碩士在讀。