基于FPGA的LED点阵显示字符设计

唐龙

（常州信息职业技术学院电子与电气工程学院，江苏常州２１３１６４）

［摘要］现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）是一种可编程逻辑器件，它具有丰富的Ｉ／Ｏ口及内部资源，编程和修改极为方便，并且易于扩展和

维护，简化电子电路的设计。本系统采用Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＬＥＸ１０Ｋ作为核心器件，结合ＶＨＤＬ程序，实现了对ＬＥＤ点阵显示字符的控制。［关键词］ＦＰＧＡ；ＥＤＡ；ＬＥＤ点阵

随着社会的发展和信息时代对各类信息快速发布的需要，许多部门和企事业单位从提高自身形象和信息规范化管理考虑，广泛采用

ｌｅｄ＿ｓ：ａ：ｅｎｄ；

ｏｕｔｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（２ｄｏｗｎｔｏ０）；

ｍｅｍｃｓ，ｒｄ，ｗｒ，ｃｓ０８０９，ｓｅｌｍｌｅｄ：ｏｕｔｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ；

ｏｕｔｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（１５ｄｏｗｎｔｏ０）；ａｄ：ｏｕｔｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（７ｄｏｗｎｔｏ０））；ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｌｅｄ＿ａｒｃｈｏｆｌｅｄｉｓｓｉｇｎａｌｃｏｌ：ｉｎｔｅｇｅｒｒａｎｇｅ０ｔｏ７；ｓｉｇｎａｌｐａｇｅ：ｉｎｔｅｇｅｒｒａｎｇｅ０ｔｏ１５；ｓｉｇｎａｌｏｅ：ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ；ｂｅｇｉｎ

ｐｒｏｃｅｓｓ（ｃｌｋ２，ｒｅｓｅｔ，ｃｏｌ）ｂｅｇｉｎ

ｉｆｒｅｓｅｔ＝＇１＇ｔｈｅｎｃｏｌ＜＝０；

ｅｌｓｉｆ（ｃｌｋ２＇ｅｖｅｎｔａｎｄｃｌｋ２＝＇１＇）ｔｈｅｎ

ｃｏｌ＜＝ｃｏｌ＋１；ｅｎｄｉｆ；

ｌｅｄ＿ｓ＜＝ｃｏｎｖ＿ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（ｃｏｌ，３）；ａ（２ｄｏｗｎｔｏ０）＜＝ｃｏｎｖ＿ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（ｃｏｌ，３）；ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓ；ｐｒｏｃｅｓｓ（ｃｌｋ１，ｐａｇｅ）ｂｅｇｉｎ

ｉｆ（ｃｌｋ１＇ｅｖｅｎｔａｎｄｃｌｋ１＝＇１＇）ｔｈｅｎ

ｐａｇｅ＜＝ｐａｇｅ＋１；ｅｎｄｉｆ；

ａ（６ｄｏｗｎｔｏ３）＜＝ｃｏｎｖ＿ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（ｐａｇｅ，４）；ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓ；

ａｄ＜＝＂ＺＺＺＺＺＺＺＺ＂；ｏｅ＜＝＇０＇；ｍｅｍｃｓ＜＝＇０＇；ｒｄ＜＝＇０＇；

ｗｒ＜＝＇１＇；ｓｅｌｍｌｅｄ＜＝＇１＇；ｃｓ０８０９＜＝＇１＇；ａ（１５ｄｏｗｎｔｏ７）＜＝＂１００００００００＂；ｅｎｄｌｅｄ＿ａｒｃｈ；３实验验证

通过使用ＥＤＡ工具软件ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ中的仿真器，对通过编译的字符滚动显示器的ＶＨＤＬ设计进行了模拟仿真验证，证明ＦＰＧＡ的内核硬件工作良好。此外，将ＶＨＤＬ程序下载到由上海航虹高科技公司生产的ＥＤＡ实验箱上后，能正确显示存放于ＥＰＲＯＭ中的字符。从而说明了在硬件系统中字符滚动和显示扫描情况也均正常，验证了设计的正确性。

ＬＥＤ电子显示屏显示产品，此类多媒体显示系统通过一定的控制方式，

用于显示文字、图形、图像、动画、股市行情等各种信息以及电视、录像、ＤＶＤ等信号，是交通指挥引导、作战、电力部门、公共场所进行企业形象宣传、信息发布和精神文明建设的有效工具和良好窗口。

采用现场可编程逻辑器件（ＦＰＧＡ）作为控制器，选择合适的器件，利用器件丰富的Ｉ／Ｏ口、内部逻辑和连线资源，采用自上而下的模块化设计方法，可以方便地设计整个显示系统。

电子设计自动化（ＥＤＡ）技术是基于可编程器件（ＰＬＤ）的数字电子系统设计，它是进行系统芯片集成的新设计方法，也正在快速地取代基于ＰＣＢ板的传统设计方式。在ＥＤＡ工具软件ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ的支持下，本设计通过了编译、适配和软件仿真验证。最后用载入真实实验系统的硬件实验证明了它的正确性。

１系统结构及其原理

本设计结合上海航虹高科技公司生产的ＥＤＡ实验箱，需要显示的

１６个字符的字模已存放在ＥＰＲＯＭ的８０００Ｈ～８０７ＦＨ，采用单个８×８ＬＥＤ点阵（ＷＴＤ３０８８）显示字符，显示控制由现场可编程门阵列

（ＦＰＧＡ）ＥＰＦ１０Ｋ２０ＴＣ１４４－４来实现。系统原理是ＦＰＧＡ首先产生点阵字模地址，并从存储器读出数据存放在１６位寄存器中，然后输出到

ＬＥＤ点阵的列，同时对点阵列循环扫描以动态显示数据，当需要显示

数据字模的列和被选中的列能够协调配合起来，就可以正确显示字符。

２ＦＰＧＡ设计及其原理

为在８×８ＬＥＤ发光二极管点阵上显示字符，首先要把字符表示成为８×８像素点（ＡＤ０～ＡＤ７），分别为按列抽取依序排列的字符像素信息，均具有８位字长。然后依次对多字符抽取像素信息，并按序排队存放于ＥＰＲＯＭ之中，便可得到一个待显示数据序列。进一步通过寻址的方法来控制该数据序列的释放过程，就可实现在８×８ＬＥＤ发光二极管点阵上滚动显示多个字符信息的目的。ｐａｇｅ控制字符显示的滚动速度，它的取值范围应为０～Ｎ，ｃｏｌ决定ＬＥＤ点阵的列开关的扫描速度，它的取值范围应为０～７。某一时刻能在显示数据序列中定位待显示数据的地址指针可用下式计算：ａｄｄｒ＝ｐａｇｅ＋ｃｏｌ

应当注意的是，扫描速度应远大于滚动速度，本设计中使用的扫描时钟是１ＫＨｚ，字符的滚动速度是１秒／个。调节字符信息的滚动速度；改变ｃｏｌ的重复扫描周期，可改善在ＬＥＤ点阵上显示完整字符信息的稳定性。

另外还需指出，由于ａｄｄｒ的运算要靠硬件实现，故地址指针ａｄｄｒ的模应取为Ｎ，而且为实现全部字符信息滚过ＬＥＤ点阵，必须在数据

Ｎ前补充８个空数据字节。根据其工作原理，设计了描述ＦＰＧＡ内核硬

件功能的ＶＨＤＬ语言程序。本设计结合了ＥＤＡ实验箱和ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ研发工具，并采取了行为的描述方式。

４结束语

本设计为显示单个字符系统，若要同时显示多个字符时，可以加入多个ＬＥＤ点阵即可。同时采用外部译码器时，可以控制的字符数将大大增加，但须注意时钟ＣＬＫ的频率需要提高，以眼睛看到整个字符的不闪烁为基准。此外，由于ＦＰＧＡ的驱动能力有限，当点阵ＬＥＤ显示亮度不够时，需要为ＬＥＤ点阵添加驱动电路（如高压大电流达林顿阵列集成电路）以提高的ＬＥＤ显示亮度。

ＶＨＤＬ程序如下：ｌｉｂｒａｒｙｉｅｅｅ；

ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿１１６４．ａｌｌ；ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ａｒｉｔｈ．ａｌｌ；ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｕｎｓｉｇｎｅｄ．ａｌｌ；ｅｎｔｉｔｙｌｅｄｉｓｐｏｒｔ（ｃｌｋ１，ｃｌｋ２，ｒｅｓｅｔ：

ｉｎｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ；

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＴＲＥＮＤ４７