LED点阵汉字滚动显示的设计——基于FPGA及VHDL的设计

LED点阵汉字滚动显示的设计——基于FPGA及VHDL的设计

张肇昕

(黑龙江省电子技术研究所黑龙江哈尔滨150040)

摘要：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。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。

关键词：LED；滚动显示；硬件；时序

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Qua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。

一、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=1024Hz，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1kHz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1ms，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。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。

二、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CLKYW，移位计数器CNTYW，字计数器CNTWORD，显示扫描计数器CNTSM。ROMZI模块是由QualtusⅡ中的LPM1PORTROM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。

三、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1kHz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1024分频，将其作为移位时钟CNT_YW，周期约为ls。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。

3.2ROMZI模块

利用LPM参数化模块库中单口ROM，利用QualtusⅡ中的MegaWizardPlug-InManager定制而成，定制前首先要制作LPMROM初始化文件，其中存储待显示汉字的字模数据，然后按照LPMMegaWizardPlug-InManager的向导提示，结合设计要求进行定制。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。

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。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。

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。

结语

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。

参考文献：

[1]陈凯,黄建明.楔型连接槽在模组化LED汉字显示中的应用[J].光电工程.2013(09)

[2]杨凯,吕卫文.同心柱状LED模组及其显示结构设计[J].电子工艺技术.2017(01)

[3]陈彦彬.基于LED模组多功能智能抢答器设计与制作[J].现代电子技术.2013(04)