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

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)計了一個16×16的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)，通過設(shè)計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)用價值。

可編程邏輯器件；現(xiàn)場可編程門陣列；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)動簡單，壽命長，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，實時動態(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、動畫及視頻等多種方式顯示出來，成為信息傳播的劃時代產(chǎn)品，在鐵路、民航、體育場館、會議廳、高速公路、廣場、大型商場、銀行、證券市場以及多種監(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)場可編程門陣列）來設(shè)計，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)就可以實現(xiàn)不同的邏輯功能，使用FPGA來設(shè)計電子系統(tǒng)，具有設(shè)計周期短、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，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，而且具有完全的知識產(chǎn)權(quán)。［2］

本設(shè)計通過FPGA的引入，利用EDA工具軟件QuartusII，設(shè)計了一種LED點(diǎn)陣顯示控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了LED屏自動掃描的功能，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)實際上就是利用FPGA產(chǎn)生EEPROM（AT28C64）的對應(yīng)地址A9～A0，接收來自EEPROM（AT28C64）的字?jǐn)?shù)據(jù)信號D7～D0，同時對外產(chǎn)生16×16LED點(diǎn)陣相應(yīng)掃描驅(qū)動信號。根據(jù)設(shè)計任務(wù)提出的功能要求，整個系統(tǒng)應(yīng)大致包括如下幾個組成部分：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，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，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時，點(diǎn)陣中對應(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，既行掃描信號是以固定周期和固定次序循環(huán)變化，而列掃描信號在行掃描信號在某一特定值時，給出一組特定的數(shù)據(jù)。當(dāng)行掃描信號變化周期比較快時，通過肉眼觀察到的圖符就是一個完整的。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)碼管動態(tài)掃描顯示類似。它有16個共陰極輸出端口，每個共陰極對應(yīng)有16個LED顯示燈。所以其掃描譯碼地址是4位信號線。EEPROM（AT28C64）存儲器是電擦除／編程的只讀存儲器，容量為8k× 8Bit，有13位并行地址線和8位并行數(shù)據(jù)線，而一個完整的字符所需的存儲空間為32字節(jié)即32× 8Bit，也就是說EEPROM（AT28C64）最多可連續(xù)存256個16×16點(diǎn)陣字形。存儲方式可事先約定好。設(shè)計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，一個字占32個字節(jié)，例如“正”：

該字所對應(yīng)的32個字節(jié)是：

圖2 字庫格式Fig.2 Font format

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)各電路模塊設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路設(shè)計。根據(jù)點(diǎn)陣顯示原理，一個16×16點(diǎn)陣漢字共占用32個字節(jié)，數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路實質(zhì)上就是一個三十二進(jìn)制的計數(shù)器，以輸入脈沖作為地址產(chǎn)生電路的計數(shù)時鐘信號，待計數(shù)至32瞬間地址產(chǎn)生電路則清零并重新計數(shù)。重復(fù)選擇該漢字的32個字節(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。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。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漢字的地址為0000000000000―00000 0001 1111，第二個漢字的字節(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。在這里本項目提供的字模數(shù)為23個漢字。因此只需提供一個23進(jìn)制的計數(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。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。因而讀出的每個字前十六個數(shù)據(jù)地址為＊＊＊＊＊＊＊＊00000―＊＊＊＊＊＊＊＊0 1111，后十六個數(shù)據(jù)地址為＊＊＊＊＊＊＊＊1 0000―＊＊＊＊＊＊＊＊1 1111，通過觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，前十六個數(shù)據(jù)地址和后十六個數(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，最終還原出一個漢字。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

根據(jù)以上對系統(tǒng)各部分電路功能的分析，整個系統(tǒng)包括以下三個模塊：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)計及仿真

本系統(tǒng)三個模塊：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)計法進(jìn)行設(shè)計輸入，并在QuartusII中實現(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)計中，利用動態(tài)掃描顯示的原理，同時利用讀取數(shù)據(jù)的地址作為掃描的信號，大大簡化了程序的設(shè)計。此外，可以擴(kuò)展系統(tǒng)工作的外圍電路：掃描信號發(fā)生器、直流工作電源、地址譯碼電路等，使其成為一個完整的獨(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顯示等，使整個系統(tǒng)更實用?；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，而且便于實現(xiàn)，尤其在大批量生產(chǎn)時其優(yōu)勢更為明顯，具有廣泛的市場應(yīng)用價值。［6］

［1］ 張著，程震先，劉繼華.數(shù)字設(shè)計—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.出租車計費(fèi)器的FPGA設(shè)計［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：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，王國棟.VHDL實用教程［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)計與實現(xiàn).科技創(chuàng)新導(dǎo)報 ［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。