1、编号桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书题目基于FPGA的彩色点阵控制器设计系别电子工程系专业电子信息工程学生姓名学号指导教师职称讲师题目类型理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发应用研究2013年6月1日摘要LED显示屏工艺发展很快，使得LED显示屏有很多优异特性。由于其优异的特性，在生活应用很广泛。例如手机屏、笔记本电脑显示屏、广告牌、数码相机、大屏电视机以及军事领域等等都有应用，因而得到了业界广泛的关注。LED发展到现在，已经从最初的单色屏发展到现在的全彩显示屏，而且随着LED工艺制作技术发展，从以前的单个LED灯到现在的大屏的LED显示屏，从最早的无灰阶单色屏静态驱动，
2、到现在彩色显示屏动态驱动，所以对驱动控制电路有了更高的要求。本课题研究的是当今行业流行的双基色LED显示屏驱动控制器技术，以FPGA为核心结合显示屏控制电路驱动点阵屏。设计采用的FPGA芯片是目前较为流行的ALTERAFPGA系列为EP2C5T144C8N芯片。根据LED显示屏的特性和内部组成结构，选定需要用的驱动控制芯片，设计一款该LED显示屏的驱动电路。本课题设计的是基于FPGA的LED显示屏控制器设计，需要选用什么样的软件开发工具，设计LED显示屏的扫描控制程序。本课题设计选用的是VERILOG语言编写软件部分。结合VERILOG语言设计的特点和编写程序的规则再结合硬件电路编写对LED显
3、示屏的扫描控制部分。所以，本课题设计是通过结合点阵块内部结构的特点和特性的分析和理解，设计出了对LED显示屏控制电路的设计方案。结合FPGA开发板、硬件电路和软件工程设计，最终实现了对LED显示屏的控制系统的设计。关键词FPGA；双基色LED显示屏；VERILOG语言ABSTRACTLEDDISPLAYTECHNOLOGYDEVELOPINGRAPIDLY,MAKINGTHELEDDISPLAYHASMANYEXCELLENTPROPERTIESBECAUSEOFITSEXCELLENTPROPERTIES,ISWIDELYAPPLIEDINLIFEFOREXAMPLE,MOBILEPHONE
4、SCREEN,NOTEBOOKSCREEN,BILLBOARDS,DIGITALCAMERA,ABIGTVANDETCAREUSEDINTHEMILITARYFIELD,THUSGETSWIDELYATTENTIONLEDDEVELOPMENTUPTONOW,ALREADYFROMTHEORIGINALMONOCHROMESCREENDEVELOPMENTUPTONOW,FULLCOLORDISPLAY,ANDWITHTHEDEVELOPMENTOFLEDTECHNOLOGYOFTHEPRODUCTIONPROCESS,FROMTHEPREVIOUSSINGLELEDLIGHTSTOTHELE
5、DDISPLAYSCREENNOW,FROMTHEEARLIESTOFGRAYSCALEMONOCHROMESCREENSTATICDRIVE,COLORDISPLAYDYNAMICDRIVETILLNOW,SOISTHEHIGHERREQUIREMENTFORTHEDRIVECONTROLCIRCUITTHISTOPICRESEARCHISTHEINDUSTRYPOPULARTECHNOLOGY,DUALCOLORLEDDISPLAYDRIVERCONTROLLERWITHFPGAASTHECOREINCOMBINATIONWITHLATTICESCREENDISPLAYCONTROLCIR
6、CUITDRIVETHISTOPICDESIGNUSESTHEFPGACHIPISCURRENTLYMOREPOPULARALTERAFPGASERIESFOREP2C5T144C8NCHIPACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFLEDDISPLAYANDINTERNALSTRUCTURE,NEEDTOUSETHESELECTEDDRIVECONTROLCHIP,ANDDESIGNADRIVINGCIRCUITOFTHELEDDISPLAYTHISTOPICDESIGNISDESIGNOFLEDDISPLAYCONTROLLERBASEDONFPGA,NEEDTOCHO
7、OSEWHATKINDOFSOFTWAREDEVELOPMENTTOOLS,THEDESIGNOFLEDDISPLAYSCANCONTROLPROGRAMTHISTOPICISVERILOGLANGUAGEWRITINGSOFTWAREPARTOFTHEDESIGNISCHOSENACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEVERILOGLANGUAGEDESIGNANDWRITEPROGRAMSAREWRITTENRULESCOMBINEDWITHHARDWARECIRCUITOFLEDDISPLAYSCANCONTROLPARTSO,THISTOPICISDESIG
8、NEDBYCOMBININGLATTICESCREENTOTHEINTERNALSTRUCTUREOFTHEANALYSISANDUNDERSTANDINGOFTHECHARACTERISTICSANDPROPERTIES,DESIGNTHEDESIGNSCHEMEOFLEDDISPLAYCONTROLCIRCUITCOMBININGTHEFPGADEVELOPMENTBOARD,HARDWARECIRCUITANDSOFTWAREDESIGN,FINALLYACHIEVEDTHELEDDISPLAYCONTROLSYSTEMDESIGNKEYWORDSFPGADOUBLECOLORLEDDI
9、SPLAYVERILOGLANGUAGE目录引言11方案论证211整体设计论证212硬件模块设计论证3121LED显示屏驱动控制方案的比较3122LED显示屏驱动方式芯片选定313软件控制模块设计论证42硬件驱动电路设计实现521硬件总体电路设计思路522硬件电路总体设计实现523硬件电路制作过程524硬件行驱动控制模块设计实现725硬件列驱动控制模块设计实现926点阵屏模块的设计实现103软件扫描控制设计实现1231软件设计总体思路1232软件总体设计实现1233软件设计过程1234存储数据的模块1235显示屏扫描控制模块1736LED显示屏灰度实现194彩色LED显示屏控制器整体实现214
10、1设计要求2142彩色点阵屏控制器的设计实现2243整体方案实现效果225硬件与软件调试2051硬件设计调试过程2352软件设计调试过程2553硬件与软件设计调试过程的小总结276结论27谢辞29参考文献30附录31桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第1页共41页引言LED显示屏LIGHTEMITTINGDIODEDE又叫电子显示屏。随着现代的进步，LED显示屏在制作工艺有很大的改善，并且在性能上有了很大的进步。虽然在市场上显示屏的种类各式各样，从各式各样的型号到各式各样的种类从对显示驱动原理到驱动方式再到实际应用范围都各不相同，但LED显示屏作为现代显示器技术的发展的产物，在实际
11、应用领域拥有一席之位。目前，在国外很多国家的街道上随处可见，作为信息传输的工具，在实际应用和显示的效果都很好。LED显示屏显示画面清晰，色彩丰富艳丽，在国外的各个行业都有了广泛应用。如广告宣传、交通信号灯、汽车、教育系统、火车站、证券公司、大型商场等。但是在控制技术方面还有很多不足。由于LED显示屏发出的光很亮，并且闪烁对人眼睛刺激很大，这是由于技术的不成熟所导致的，所以国外对LED显示屏技术还处在发展段。目前，在国内LED显示屏受到很多个体户和企业广泛的研究和应用从而得到迅速的发展。这是因为LED显示本身所具有高亮度、低功耗、环保、可大型化、使用寿命长、性能稳定等优异的特性。在国内LED显示
12、屏在实际应用，主要是作为传输信息的工具。如电子显示屏门牌，墙式电视机等。而且LED在照明上也应用很广泛，是因为LED发光亮度很高。所以，在国内外LED的发展前景非常广阔，正迈向更高耐气候性、高的发光密度、高稳定性方向发展。本课题设计的是基于FPGA的彩色点阵控制器。彩色点阵屏制作工艺发展迅速，在性能上也有很大的提高，这样对控制电路的要求也越来越高。由于LED显示屏的亮度太高，色彩丰富等优越特性，本课题结合LED显示屏的一些特性，制作一款性能优越的LED显示屏控制电路。要想制作出一款彩色显示屏控制器在性能上有更高的要求，可以从LED显示屏色彩丰富和低功耗着手，使得LED显示的颜色更艳丽，画面更生
13、动，耗能更少。在国内外有很多人对LED显示屏控制器有研究，但是设计出来的控制器控制显示屏显示的效果还不是很好。如出现闪烁，屏体太亮，显示的颜色不够丰富，画面不够生动等缺点。所以本课题研究是结合LED显示屏的优越特性设计的一款控制器。根据对LED点阵屏发光的特性和内部结构的组成分析。再根据LED显示屏的特性和内部结构，选定需要使用的驱动控制芯片。结合芯片的工作原理从而设计一款LED显示屏的驱动控制电路。最后，结合VERILOG语言设计的特点再结合硬件电路设计编写软件LED显示屏扫描控制程序。由于本课题设计使用动态和静态的扫描技术。动态扫描技术必须选用移位寄存器，必须在时间上控制数据的移位，可以让
14、画面产生动态。静态扫描技术以静态锁存器扫描方式，把所要传输的数据送到锁存器并且打入屏体中显示，并且充分保证LED亮度。综合上所述，结合对LED显示屏的种种因素的影响和利用LED的优越特性设计出对LED显示屏控制器的扫描程序，再结合FPGA开发板功能和驱动控制电路的设计实现对LED点阵屏的控制，从而可以显示文字信息和图文信息等动态和静态信息。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第2页共41页1方案论证本章节是从理论上分析LED显示屏控制器的方案，包括方案对比、芯片选择、软件设计模块论证。11整体设计论证根据对LED显示屏的内部组成结构有了一定的研究。本节分析对LED显示屏的基本结构和工
15、作流程。其中包括设计软件系统与硬件控制系统通过FPGA开发板的结合，和对数据的传输和数据的显示。首先，对整体设计进行分析；其次对对硬件驱动设计进行理论分析；最后，对软件驱动设计进行理论的分析。LED图文显示屏系统由软件控制系统、硬件控制系统、LED显示点阵、电源、FPGA开发板等部分组成。根据LED显示屏的特性，并且经过实际的验证来了解LED显示屏的特性，结合LED显示屏其特性和经过测试的LED显示屏内部结构选定需要用什么样的驱动控制芯片，设计一款该LED显示屏的驱动控制电路，并且使用PROTEL99画图软件设计出LED显示屏的驱动控制电路原理图，制作一块LED显示屏的驱动控制系统硬件。由于本
16、课题设计的是基于FPGA的LED显示屏控制器设计，所以在选用FPGA系列芯片是要考虑很多方面的问题。例如，逻辑单元数、存储单元数等等。结合这些问题本设计使用ALTERAFPGA系列为EP2C5T144C8N芯片制作的FPGA最小系统开发板。在对软件设计时需要了解开发板的相关知识并且确定选用什么样的软件开发工具，设计软件扫描控制部分。本课题设计选用的是VERILOG语言编写软件扫描控制部分。最后，结合VERILOG语言设计的特点再结合设计的硬件电路的特点在QUARTUS开发软件上编写VERILOGHDL程序对LED显示屏的软件设计，设计LED显示屏的扫描控制部分。结合前两个硬件设计实现加上软件设
17、计控制系统就可以制作出彩色点阵控制器。图11为彩色点阵控制器基本结构框图。图11彩色点阵控制器基本结构FPGA开发板软件控制系统硬件控制电路行驱动芯片模块列驱动芯片模块LED点阵显示屏桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第3页共41页12硬件模块设计论证查找与LED显示屏相关资料并了解，接下来需要确定使用什么芯片去驱动LED显示屏。本课题设计使用的是双基色LED显示屏，需要对LED显示屏的行和列进行驱动，而且要选择使用什么样的驱动控制方案非常重要。121LED显示屏驱动控制方案的比较方案一串行控制驱动方式通过一个串行输入并行输出的驱动芯片。把将要显示的数据通过串行的传输方式发送入驱动
18、芯片寄存器中寄存，通过程序对芯片的使能信号端控制，控制数据的显示。其特点是在制作电路板的时候线路连接简单点。这样给电路板的设计带来了很大的方便，同时给调试电路板电路的时候减少了工作量。串行控制驱动方式芯片可选的有74HC595和74LS595等等。但由于这些芯片在工作时的驱动能力很差，一般都用于对LED显示屏列的驱动。串行控制驱动方式还有一个难点就是在软件设计时要对数据传输时，进行时钟控制，对应的把每个数据传输，送入寄存器寄存。对于行驱动方式相对比较容易，只要把在LED显示屏的数据分时顺序送出去，但是其驱动能力就很弱，由于对LED显示屏驱动能力要大，可以在驱动芯片和LED显示屏之间加上三极管或
19、者CMOS管来增强其驱动能力。方案二并行控制驱动方式是将显示的数据通过并行口输入到显示屏，每送一个字节就能完成一个整个显示屏一行的输入。并行控制驱动方式的特点是数据刷新显示屏的频率快，这样就降低对驱动电路的要求了。同时，对数据的处理速度上的加快相应的提高了系统的稳定性，想要使得系统更稳定在制作电路的时候要适当的调整线路的宽度。可以采用74HC373级联的方式控制。而并行控制驱动在制作电路板的时候工作量很大，由于输入输出的引脚数相同，在焊孔和电路的数目上都有大量的增加，同时，也给调试电路板的时候带了很大的难度。根据本课题设计所买的LED显示屏是共阳的接法，并且考虑在制作电路板和调试带来方便，本课
20、题设计选用串入并出的控制方式设计控制系统。122LED显示屏驱动方式芯片选定通过对驱动方式的比较，本课题设计选用了74HC595和74HC138芯片。在制作LED显示屏的列驱动芯片一般都使用74HC595芯片。74HC595是一款串行输入并行输出数据的移位寄存器芯片。74HC595芯片是通过11、12、13组合逻辑来控制对数据输入、移位、储存、输出。制作1616双基色点阵屏时，要用到四片74HC595芯片，因为十六列红灯和十六列绿灯，所以需要两片74HC595芯片对16列为红灯和两片74HC595芯片对16位绿灯进行亮灭的控制。对于LED显示屏行的控制驱动芯片可以有很多选择性。可以根据点阵屏的
21、特点和自己的需求进行选择。对于共阳的LED显示屏使用74HC138芯片，结合用三极管设计的一个反相器电路，从而实现对LED点阵屏的行进行控制。对于共阴的LED显示屏有很多种选择，并且可以不用加反相器电路就可以对LED显示屏的行进行控制。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第4页共41页存储数据发送13软件控制模块设计论证本课题设计使用的是FPGA开发板最小系统，所以使用了编程语言是VERILOG。要通过VERILOG语言描述对驱动控制芯片进行控制，如图12为软件控制整体设计思路图。图12软件控制整体设计思路图注意由于显示屏不能在同一时刻显示出来汉字，必须通过硬件控制电路和软件控制系统
22、的完美的结合才能显示一个完整的汉字。为了能更好的显示一个完整的汉字，必须用汉字取模软件进行取模，在数据传输的时候要排整要发送数据的顺序。同时在传输数据的时间上也要控制好，利用人眼视觉的惰性调整，让每一次刷新显示屏的时间刚好让人眼感觉不出LED显示屏有间断性的亮灭。如果时间没有调整好就会出现闪烁，造成显示的效果不是很好。在确定使用什么驱动方式后，结合LED显示屏和芯片来分析数据的显示，图13为数据显示等效图。列行第一列第十六列第一列第十六列第一行红色数据区绿色数据区第十六行图13数据显示等效图控制器行控制程序列驱动程序时钟输入LED屏显示数据桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第5页共
23、41页2硬件驱动电路设计实现从理论上分析LED显示屏控制器后，根据选用的芯片设计一款控制器。从硬件电路的总体设计到个个模块的实现。21硬件总体电路设计思路经过查找74HC138芯片的相关资料对其进行研究，根据自己的研究在脑海里形成设计思路，设计使用74HC138芯片的7脚和9至15脚译码器八位数据输出作为显示屏行控制信号输出，控制显示屏一行灯的亮灭；1至3脚二进制编码输入端作为行控制信号的输入，通过74HC138内部电路的译码，控制行的亮灭；4脚和5脚输入控制端和6脚输入控制端作为芯片工作的使能控制端，控制74HC138芯片译码。使用74HC595芯片的15脚和1至7脚并行八位数据输出作为显示
24、屏列数据的输出，来控制显示屏的十六列灯的亮灭；9脚级联输出端作为数据输入；10脚复位端，因为低电平有效，不需要把数据清除，把复位端直接VCC；11脚移位寄存器数据移位时钟输入端作为移位寄存器芯片控制数据移位信号；12脚移位寄存器存储数据时钟输入端作为移位寄存器芯片数据寄存信号控制端；13脚移位寄存器使能作为输入的数据显示在显示屏上，因为使能控制信号是低电平有效，为了使电路设计和在编写程序简单，把13脚直接GND；14脚串行数据输出端作为芯片级联端，实现更多数据的级联。22硬件电路总体设计实现本课题设计用的是88的双基色点阵屏，使用四块点阵屏经过设计组合成的1616LED点阵屏用来显示汉字和图片
25、，所谓的1616，是每一个汉字在纵、横行各用16像素点的区域内显示，满足了本次设计的要求。由于本次使用的点阵屏是双基色的，所以要用四个74HC595芯片通过级联的方式控制十六列红和十六列绿灯的亮灭，再用两块74HC138芯片级联的方式组合成416译码器对十六行进行控制。用两片74HC138芯片的4脚和6脚相连对两块74HC138进行片选，而两片74HC138芯片的八位输出管脚与点阵屏的十六行的控制脚相连。由于本课题设计使用的双基色点阵屏是共阳的接法，所以对点阵屏行控制输出的数据进行取反，经过取反再输出，输出的数据就能对点阵屏依次进行某一行的控制。通过四片74HC595芯片上的11脚联在一起，再
26、加上12脚并联。而四块74HC595是通过9脚级联十四脚实现了32位数据的输入。所以通过74HC595芯片的9脚、11脚和12脚组合在一起，就能对LED点阵屏的16列红色和绿色的LED灯的亮灭进行控制。23硬件电路制作过程使用PROTEL99画图软件画硬件原理图，PROTEL99软件是PROKLTECHNOLOGY公司开发的一款画图软件，它可以进行电路原理图设计和单层或双层印刷电路板设计。该软件中的元器件的封装是有限的，再加上现在市面上的器件的形状各种各样，在进行电路设计和PCB电路图设计时，必须先画好相应的元器件封装并更新到元器件库当中，才能完成相应的设计。图21为硬件电路开发流程。桂林电子
27、科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第6页共41页图21硬件电路开发流程（1）设计原理图根据选用的74HC138和74HC595芯片的功能设计一款驱动控制电路。打开PROTEL99软件新建一个原理图文件，根据课题设计要求设计的原理图，在左侧的元器件库中找到相应的元器件图，按照一定的顺序排列。排列好后，把相应的管脚连接，双击原理图中器件图，弹出对话框，如图22所示，在FOOTPRINT选项中填入相应的元器件封装的名字。把每一个器件的封装设定好后，更新PCB，点击设计标题栏下的子标题，完成了电路图PCB更新。图22封装管脚设置设计原理图设计PCB图转印PCB腐蚀和打孔焊接元器件桂林电子科技大学信
28、息科技学院毕业设计论文说明书第7页共41页（2）设计PCB图更新PCB图后，对PCB图进行设计，把器件进行布局，再根据自己的需要对电源线和信号线进行参数设置。设置GND和VCC线的线宽，再对其它线的线宽进行设置，并且要对焊孔和线的进行安全距离设置。一般GND和VCC的线宽比其它线要宽，这样通电效果更好，线太细，很微小的一个断开的地方人肉眼是很难看出来的，在对电路进行检测的时候很难发现，给电路进行调试时带来困难，而且通电信号不太好。设置好线宽后，再设置焊孔的大小，如果焊孔设置的太小，在打孔的时候会把铜边打没，焊接就非常困难。设置好这些后，开始进行布线，布线时要注意不要走直线。因为本课题设计的线路
29、比较多，如果采用单面布局就有很多的跳线，所以选择了制作双面板布局的方式。（3）转印PCB把设计的PCB原理图打印时，要注意本课题设计制作的是双层板，在打印顶层电路图时，要对顶层电路进行镜像处理，这样做是为了把顶层电路的所用焊孔与地层电路焊孔对应，如果没有对顶层电路进行镜像处理，就不能使其对应。把打印好的地层PCB图转印到铜板上，需要高温转印机进行转印。再根据制作双面板的步骤，在一面已经转印好的电路板上，打几个固定的孔至少三个点，再在顶层的PCB图纸找到与电路板上对应的孔，用铁丝穿过PCB图纸中对应的孔，再穿过电路板上的孔。完成后，就固定PCB图纸并把它放入高温转印机上转印。（4）腐蚀和打孔完成
30、后就开始腐蚀电路板，腐蚀后涂上松香，是为了防止氧化线路。腐蚀完后开始打孔，根据前面设置好的焊盘大小选用相应的打孔针打孔，在打孔时要注意对准焊盘的中心，不然会把焊盘打没，这样会给焊接带来困难。双面板进行对孔的时候是有偏差的，所以在打孔的时候需要看焊孔是否有线连接。如果一面有线连接另一面没有线连接，就对有线连接的那一面进行打孔，这样能为焊接带来方便。如果只针对一面打孔，由于转印双层电路图产生的误差，在打孔时，把另一面需要焊接的焊盘打掉，焊接困难。打孔完后，再一次确定焊孔是否去不都打了没，确定无误后才可进行下一步骤。（5）焊接元器件本次硬件制作的是双面板，首先必须把所有两面需要焊接的焊孔。对照原理图
31、，用铁丝把每个两面需要焊接的焊孔用铁丝接好，对其进行焊接，在焊接时为了确保每个焊空都是导通的，焊接完一个必须用万用表对其进行测试。焊完后，再对照原理图，把相应的器件插入相应的位置，对器件进行焊接。要特别注意个个元器件的管脚的是否对应，确定无误后才能开始焊接。24硬件行驱动控制模块设计实现本课题设计用到了两片74HC138芯片控制16行的选通，查找相关资料并分析了该芯片的管脚功能。根据本课题设计的要求把两片74HC138芯片通过级联的方式连接把第一片74HC138芯片5脚和6脚分别接GND和VCC；第二片74HC138芯片的4脚和5脚接GND；两片74HC138芯片的4脚和6脚联起引出一根输入脚
32、D，其它三根脚为A、B、C，组合成416译码器，如图23所示。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第8页共41页图23416译码器当给两片74HC138组合设计出的416译码器的A至D脚二进制编码输入端输入0至15的二进制值，通过两片74HC138组合设计出的416译码器通过译码，就能对LED显示屏的十六行进行控制。如图23所示，想要先让U21进行译码，给D置0就可以对其进行译码控制。想要让U22进行译码，给D置1，就可以对其进行译码控制。结合A、B、C三根二进制输入端赋值，再结合设计的反相器电路，如图24所示。就可以完整的控制共阳点阵屏的十六行的扫描。VCCVINRLGND图24反
33、相器电路图当给B极VIN输入端一个高电平，由于三极管的E极接VCC是的三极管不能导通，当在E极和B极之间加上一个很大的上拉电阻，通过上拉电阻的作用把B极的高电平变为低电平，从而使得三极管处于导通状态，使得接在LED显示屏上的C极输出低电平。反之，则输出低电平。本课题设计使用的点阵显示屏是共阳的接法，所以还需要设计一款反相器电路（如图24所示）对译码器输出的数据进行取反。通过反相器电路与74HC138芯片的结合才能使得显示屏显示并对其行进一行一行的控制，表21为两片74HC138芯片结合反相器电路输出的真值表。RL接的是LED的引脚桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第9页共41页表2
34、1两片74HC138芯片结合反相器输出的真值表25硬件列驱动控制模块设计实现本课题设计使用四片74HC595芯片并行输出32位数据用于控制16列红灯和16列绿灯的亮灭，通过查找相关资料对该芯片的管脚功能进行分析。根据本课题设计的设计要求把四片74HC595芯片通过级联的方式连接四片74HC595芯片的11脚联在起引出一根移位时钟输入脚SCK；四片74HC595芯片的12脚联在起引出一根存储器钟输入脚RCK；第一片芯片的9脚和第二片的14脚相连，第二片芯片的9脚和第三片的14脚，第三片芯片的9脚和第四片的14脚相连。相连组合成对32位数据的移位寄存器，接法如图25所示。ABCDY0Y1Y2Y3Y
35、4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12Y13Y14Y150000100001001100001010100110111000011001010111010011101101111111100000000000000001000000000000000010000000000000000100000000000000001000000000000000010000000000000000100000000000000001000000000000000010000000000000000100000000000000001000000000000000010000000000000000100
36、0000000000000010000000000000000100000000000000001桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第10页共41页图2532位数据的移位寄存器当给14脚输入32位串行数据后，给以为控制信号SCK输入一个高电平，通过调用延时程序，32位数据通过移位控制信号，分别移入四片74HC595芯片中。数据移完后，给寄存控制信号RCK一个高电平把32位数据进行锁存，通过13脚使能控制信号端接GND就把数据并行输出。26点阵屏模块设计实现随着科技的进步和迅速发展，使得半导体材料的制造技术和对半导体材料加工技术的不断成熟和完善，从而在制造各种不同的半导体材料越来越容
37、易，使得LED显示屏的种类很多，从型号到种类再到像素的大小。目前，在市场上见到的LED点阵屏有单基色和双基色、三基色。显示屏用红、绿、蓝作为制作显示屏颜色的基础，在软件的控制下，使用一种特定的控制方式可以使双基色显示屏和三基色显示屏显示出很多种不同的颜色。三基色显示屏可显示由黑到白的可见光，色彩飞非常丰富。由于LED点阵屏有多种规格，可以根据自己的需要选择，这样为制作多大型的显示屏带来了方便。根据组成LED显示屏颜色的数目可分为单色、双色、三色，根据颜色的不同可以选择制作单色显示屏还是彩色显示屏。如果想显示一种颜色的字，可以选用单色点阵屏制作显示屏；如果显示多种颜色文字额图片，可以双色和三色矩
38、阵块制作的显示屏。单色有很多种颜色，如红、绿、黄，蓝色等单色。双色和三色显示屏显示内容的颜色可以根据不同颜色的发光二极体组合，如红和绿组合可显示黄色或橙色，这是根据自己设计的软件而定的。目前使用较多的软件控制方式为脉冲宽度控制法，是控制脉冲的占空大小的方式控制二极体的点亮的时间，从而实现实现彩色显示，图26为单色LED矩阵的接法。图26单色LED矩阵的接法桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第11页共41页点阵屏的双基色和三基色按电路的接法分为共阴和共阳两种接法。不同的接法对于驱动芯片和设计驱动电路也有不同的要求，所以在制作驱动大型的点阵屏必须知道点阵内部的结构。下面以双基色的接法为
39、例，如图27所示。图27LED点阵共阳接法共阳双基色点阵屏共有24根管脚，8根共阳端，8根是控制红灯亮，8根是控制绿灯亮。而共阴的接法刚好与共阳的接法相反。当把共阳的双基色点阵屏8根接共阳一端接一定的高电平，另外十六根管脚给低电平，就会显示橙色的。本课题设计使用了四块88点阵屏。通过对点阵屏内部结构的分析，点阵屏按内部结构接法可分为共阴和共阳两种接法。通过使用万用表测试出本课题设计使用点阵屏为共阳的接法，如图27所示。通过对使用的芯片的分析，再结合点阵屏内部结构，设计出用四块88矩阵块实现1616的点阵屏，如图28所示。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第12页共41页图28显示屏
40、的接法本课题设计用的是红和绿两种颜色组成的双色点阵。如图28所示，R1R16为红色发光二级管的控制引脚；G1G16为绿色发光二级管的控制引脚；L1L16为红色绿发光二级管共阳的控制引脚。当个红色发光二极管的控制引脚低电平，给红色和绿色共阳的控制引脚高电平，发光二极管就会发出红色的光。当个绿色发光二极管的控制引脚低电平，给红色和绿色共阳的控制引脚高电平，发光二极管就会发出绿色的光。当个红色和绿色发光二极管的控制引脚低电平，给红色和绿色共阳的控制引脚高电平，发光二极管就会发出橙色或黄色的光。颜色的不同是与发光二极管的亮度有关。测试共阳和共阳的步骤（1）把万用表转到二极档位；（2）把万用表的任意表笔
41、接在88点阵块的任意引脚；（3）把另一只表笔依次在88点阵块的所有引脚接触，看是否有发光二极管点亮。如果只有一种颜色的灯亮，则把两只表笔对换；（4）把对换的表笔依次在88点阵块所有引脚接触，看是否有两种颜色的灯亮。如果有，则看是哪只表笔接在固定脚的一端。如果是红色表笔，则是共阳的接法；如果是黑色表笔，则是共阴的接法。3软件扫描控制设计实现本课题设计使用了FPGA最小系统开发板，FPGA系列为EP2C5T144C8N芯片。为了能够更好地设计出LED显示屏扫描控制部分，必须对FPGA最小系统开发板有一定的了解。FPGA系列为EP2C5T144C8N芯片拥有89个可编引脚可用于输入和输出；2个锁相环
42、，用于分配和倍频用。本课题设计就要用到时钟控制数据的发送和接收，而且是个难点；8个时钟输入端（50MHZ），用于时钟的输入，对编写的程序和电路设计运行进桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第13页共41页行控制；119808比特随机存储器，用于数据的存储，可以随意取出或存入数据；4608个逻辑单元，可以对数据或文件资源进行访问。FPGA最小系统开发板上配置了EPROM芯片使用EPCS4，大小为4MBIT用来存储下载后程序文件了，连接在AS下载口。下载程序后，可保存到EPROM中，只要不对其进行擦除，可循环使用；50MHZ有源晶振一片可以供给程序的时钟输入；八个贴片发光二极管，可用于测
43、试程序调试；复位开关对下载的程序进行清空，但对EPROM中的数据不能清空；电容，用于电源滤波，稳压。JTGA下载口和AS下载口，对已编译完成的程序或电路设计进行下载，还有两块稳压芯片给输出的电压进行稳压，以保证芯片不会烧掉。本课题设计设计语言使用的是VERILOG语言编写软件程序设计软件部分，经过查找相关书籍了解到VERILOG语言编程的特点，这样可以在编写程序很有帮助。本课题设计的软件设计方案的实现，是结合对硬件控制电路的设计的特点进行分析，并通过分步调试实现了各个模块，然后结合分步调试实现的代码，并且涛考虑到时序逻辑问题，结合这些进行综合设计实现整个控制系统的设计。软件主要部分包括两个模块
44、存储和发送数据模块和LED显示屏控制扫描模块。31软件设计总体思路本课题设计结合VERILOG语言编写软件程序，通过对LED显示屏控制器的设计的分析。根据74HC138和74HC595芯片的分析，编写软件扫描控制部分。对行扫描控制需要对74HC138的A、B、C、D四线进行赋二进制数值，再根据列控制信号对74HC595的数据输入端进行数据输入，并给74HC595的移位控制信号和寄存控制信号赋0或1。赋值方式是当一行数据输入后，每移位一个数据给一个移位信号，移位三十二次后给一个寄存器寄存控制信号把数据寄存。为了使行控制信号与列控制信号同步，采用返回值的方式实现十六行数据的读取。动态扫描是采用当第
45、一次刷新完显示屏，给一定的延时后，第二次刷新显示屏时把第一行的数据给第二行控制信号，多次循环就实现动态扫描控制技术。还需要一个数据储存和发送模块，当扫描控制模块个一个信号，就把相应的数据发送到扫描控制模块中，就实现了整个软件扫描控制设计。软件设计思路总体流程图，如图31所示。图31软件设计思路总体流程图32软件设计总体实现本课题设计的软件扫描控制系统主要包括分配器模块、动态控制模块、数据储存和发送模块和显示屏扫描控制模块。整体软件设计电路图如图32所示。时钟输入显示屏数据存储和发送模块显示屏扫描控制模块桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第14页共41页图32整体软件设计电路图33软
46、件设计过程QUARTUS开发软件是ALTERA公司在二十一世纪初针对自己公司生产的现场可编程门阵列集成开发环境设计的一款开发工具软件。QUARTUS开发工具是在ALTERA公司前一代开发工具MAXPLUS上改进和发展的产物。它能够提供完美的多平台设计环境，并且可以轻松满足设计者特定设计的需要。它是单片可编程系统设计的综合性环境和单片可编程系统开发的基本设计工具，图33为软件设计开发流程图。程序编写实现效果仿真测试配置程序下载程序编译桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第15页共41页图33软件设计开发流程图（1）程序编写根据对QUARTUS软件的了解和所学习的VERILOG语言的使用
47、规则编写相关软件程序。在QUARTUS软件上可以进行程序设计、底层电路设计、波形仿真设计等多种，而且可以混合设计。打开QUARTUS软件新建工程，再在工程文件中新建一个文本输入程序设计文件。本课题需要进行底层电路设计，所以对文本输入程序设计文件进行创建一个底层电路设计。点击FILE，弹出FILE下的子目录，选择CREATEUPDATA按键，在CREATEUPDATA下的子按键中选则CREATESYMBOLFILEFORCURRENTFILE，则会弹出，表示底层文件创建成功。（2）程序编译由VERILOG硬件描述语言编写程序和底层电路图设计以及波形仿真设计进行编译。由于程序设计和底层电路设计编译
48、后，不能直接看到设计的结果，只能看到错误和警告，通常通过建立仿真文件，进行仿真，看效果是否与自己设计预想的结果相符合。对编写好的文件进行编译时，要对自己编写的程序进行检查，确定无误后，点击按键，就对设计的程序文件和底层电路设计进行编译。编译完成后会弹出该对话框，弹出该对话并出现警告，但并不是错误，这样还是表示编译成功；弹出对话框，则程序有错误，在文本程序输入窗口下有一个错误显示窗口如图34，在该对话框找到错误并双击，则会跳到错误的地方，对其进行修改。再一次进行编译，没有出现错误提示表示编译成功。图34错误提示窗口（3）仿真测试利用QUARTUS软件的仿真文件根据所需要的结果进行参数设计进行仿真
49、，这样做更能验证设计的结果与自己设计的硬件所显示的结果相同。仿真测试又分为功能仿真和时序仿真。功能仿真可以直接对编写程序设计、底层电路图设计及其它的设计方式进行的仿真测试，为了验证设计者所设计的程序和电路图设计的功能和效果与设计者设计硬件器件的功能和效果相符合，但进行功能仿真运行的结果与设计者设计的硬件器件运行的结果误差相差很大。时序仿真是为了使仿真的结果更能够接近设计者设计的硬件器件运行结果，并且设计者在做时序仿真，设计者必须对仿真文件中具体的器件做出参数的设置才能得到测试结果，但由于时序仿真的仿真时间非常长，根据自己的需要考虑选择使用。本课题使用了功能仿真，新建一个仿真文件，双击区域，弹出对话框如图35所示，然后点击图35所示的按键，又弹出对话框如图36所示，设置参数如图36所示，点击LIST，把所桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文说明书第16页共41页需要的管脚放入仿真文件中，再对管脚进行相应的设置，设置完后点击对仿真文件进行仿真，查看结果。图35仿真文件参数设置图36添加管脚对话框配置在下载文件时，设计者需要设定所需要的参数将编译后产生的下载文件能够下载到指定的目标芯片上，再结合设计者所设计的硬件的结合最终能产生与实际相符合的效果。（4）编程下载使用QUARTUS生成的下载文件需要通过专用的驱动接口才能下载到芯片上。先通过USB口与笔记本
