EDA基于FPGA的16×16点阵汉字显示

江西理工大学应用科学学院EDA课程设计1江西理工大学应用科学学院SOPC/EDA综合课程设计报告设计题目：基于FPGA的16*16点阵汉字显示设计设计者：学号：班级：指导老师：王忠锋完成时间：2012年1月6日设计报告综合测试总评格式（10）内容(40)图表（10）答辩（20）平时（20）江西理工大学应用科学学院EDA课程设计2目录前言.......................................................................................................3第一章基本概要......................................................................................41.1EDA的基本特征和设计流程....................................................41.2LED点阵显示特点........................................................................41.3FPGA基本特点和设计的特点.....................................................5第二章系统设计......................................................................................72.1设计任务与要求............................................................................72.1.1设计要求.................................................................................72.1.2要求分析................................................................................72.2.设计方案........................................................................................72.3.LED的显示原理............................................................................82.4系统设计原理................................................................................8第三章系统子程序设计........................................................................103.132进制计数器设计.....................................................................103.216进制计数器设计.....................................................................113.3列驱动设计.................................................................................133.4行驱动设计.................................................................................15第四章原理图仿真波形........................................................................36第五章课程设计体会............................................................................37参考文献...................................................................................................38江西理工大学应用科学学院EDA课程设计3前言现代文明的一个明显特征是城市中随处可见的五颜六色的广告宣传，其中大多都是由LED点阵制作的汉字或图形广告，广泛应用在银行、医院、酒店、火车站、运动场馆等各种公共场所。汉字转动显示器的传统设计方法是用单片机来控制的，固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术具有系统设计效率高、集成度好、保密性强、易的限制，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，单片机的上风得不到发挥，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。该技于修改、易于实现等优点，成为当今数字江西理工大学应用科学学院EDA课程设计4第一章基本概要1.1EDA的基本特征和设计流程EDA技术是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力，它主要采用并行工程(ConcurrentEngineering)设计和自顶向下(Top-down)设计方法，其基本思想是从系统总体要求出发，分为行为描述、寄存器传输级描述、逻辑综合三个层次，将设计内容逐步细化，最后完成整体设计，这是一种全新的设计思想与设计理念。EDA技术是将传统的“电路设计——硬件搭试——调试焊接”模式变为“功能设计——软件模拟——编程下载”方式，设计人员只需一台微机和相应的开发工具即可研制出各种功能电路。EDA技术将电子产品设计从软件编译、逻辑化简、逻辑综合、仿真优化、布局布线、逻辑适配、逻辑影射、编程下载、生成目标系统的全过程在计算机及其开发平台上自动处理完成。1.2LED点阵显示特点1.可以显示各种数字、文字、图表、曲线、图形；2.采用纯红、高绿作双基色发光器件，发光亮度高，色彩鲜艳、丰富；3.显示效果清晰、稳定、功耗低、寿命长；4.优质铝合金结构，磨沙、银镜或钛金不锈钢包边。尺寸和规格可根据需要灵活组合；5.支持各种计算机网络，编辑软件丰富、易用；江西理工大学应用科学学院EDA课程设计56.适用于室内、外所有信息发布及广告宣传场所。如：银行、证券交易所、商场、市场、宾馆、洒楼、电信、邮政、医院、车站、机场等。1.3FPGA基本特点和设计的特点基本特点：1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5)FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。图1-1FPGA芯片的内部结构FPGA的主要特点是:寄存器数目多,采用查找表计数,适合时序逻辑设计。但是互连复杂,由于互连采用开关矩阵,因而使得延时估计往往不十分准确。FPGA也有其自身的局限性,其一就是器件规模江西理工大学应用科学学院EDA课程设计6的限制,其二就是单元延迟比较大。所以,在设计者选定某一FPGA器件后,要求设计者对器件的结构、性能作深入的了解,在体系结构设计时,就必须考虑到器件本身的结构及性能,尽可能使设计的结构满足器件本身的要求.这样就增加了设计的难度。离开对FPGA结构的详细了解,设计人员就不可能优化设计。因而设计人员必须了解FPGA器件的特性和限制,熟悉FPGA的结构。在了解FPGA结构特点的基础上,就可以利用VHDL语言描写出高效的电路描述实现性能优化的电路。江西理工大学应用科学学院EDA课程设计7第二章系统设计2.1设计任务与要求使用FPGA设计一个16×16的点阵显示的控制器，使点阵显示器以两种花样显示“江西理工大学应用科学学院欢迎您！”2.1.1设计要求1·输出预定义“江、西、理、工、大、学、应、用、科、学、学、院、欢、迎、您、”十五个汉字；2·输出汉字循环显示；3·操作方便、可维护性高；4·程序简捷、便于修改。2.1.2要求分析根据设计要求可以分析出：点阵显示的花样有静态显示一个汉字，一屏一屏的显示汉字还有滚动显示汉字，还可以用亮着的灯显示汉字或者用暗着的灯显示汉字。2.2.设计方案方案一：用亮着的灯组合所要显示的字。方案二：用暗着的灯组成所需要的字。两种花样显示都是用一屏一屏的显示方法。江西理工大学应用科学学院EDA课程设计8图2-1方案一示例图2-2方案二示例2.3.LED的显示原理16×16扫描LED点阵的工作原理同8位扫描数码管类似。它有16个共阴极输出端口,每个共阴极对应有16个LED显示灯，所以其扫描译码地址需4位信号线（SEL0-SEL3），其汉字扫描码由16位段地址（0-15）输入。通过时钟的每列扫描显示完整汉字。图2-3LED灯红绿信号图2-416×16点阵LED等效电路2.4系统设计原理6×16扫描LED点阵只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED江西理工大学应用科学学院EDA课程设计9发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。它有16个共阴极输出端口，每个共阴极对应有16个LED显示灯。本实验就是要通过CPLD芯片产生读时序，将字形从寄存器中读出，然后产生写时序，写入16×16的点阵，使其扫描显示输出。为了显示整个汉字，首先分布好汉字的排列，以行给汉字信息；然后以128HZ的时序逐个点亮每一行，即每行逐一加高电平，根据人眼的视觉残留特性，使之形成整个汉字的显示。LED点阵每个点都有一个红色的发光二极管。点阵内的二极管间的连接都是行共阳，列共阴。本实验采用共阴，当二极管的共阳极为高电平，共阴极为低电平时，所接点发光；反之处于截止状态，不放光。本实验采取行扫描方式，用列给文字信息，利用周期为1s的脉冲来控制所显示的字。本设计由32进制计数器(COUNT32)，16进制计数器(COUNT16)，行驱动（LYH）和列驱动(BBLK)组成。图2-516×16点阵原理图江西理工大学应用科学学院EDA课程设计10第三章系统子程序设计3.132进制计数器设计COUNT32.vhd是32进制的计数器，其每计一次数，输出一个字。例如当计数为“00000B”时显示“江”，当计数为“00001B”时显示“西”。给其脉冲周期为1S。其描述如下：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCOUNT32ISPORT(CLK1:INSTD_LOGIC;QOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0));ENDENTITYCOUNT32;ARCHITECTUREBEHVOFCOUNT32ISSIGNALCQI:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);BEGINPROCESS(CLK1)BEGINIF(CLK1'EVENTANDCLK1='1')THENCQI=CQI+1;ENDIF;QOUT=CQI;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREBEHV;江西理工大学应用科学学院EDA课程设计11图3-1CUONT32.VHD仿