基于FPGA控制的LED汉字滚动显示器设计

O 引言
    现代文明的一个显著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、体育场馆等各种公共场所。
    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。

1 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=1 024Hz，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1 kHz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1 ms，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。图1给出汉字“热”在点阵为列共阳时的行字模。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。以下设计采用行扫描方式实现滚动显示。

2 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CLK YW，移位计数器CNT YW，字计数器CNT WORD，显示扫描计数器CNT SM。ROMZI模块是由QualtusⅡ中的LPM 1PORT ROM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。原理图如图2所示。

3 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1 kHz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1 024分频，将其作为移位时钟CNT_YW，周期约为l s。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。
CNT[16…14]＆CNT[2．．O]作为ROM地址发生器。
3．2 ROMZI模块
    利用LPM参数化模块库中单口ROM，利用QualtusⅡ中的MegaWizard Plug-In Manager定制而成，定制前首先要制作LPM ROM初始化文件，其中存储待显示汉字的字模数据，然后按照LPM MegaWizardPlug-In Manager的向导提示，结合设计要求进行定制。

    图3为所定制ROM中的初始化汉字“元旦生日开心快乐”的字型码。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。图4为数据分配模块在扫描时钟作用下读取的字模数据，比较图3和图4可知，仿真结果正确，能满足题目要求。
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。本例(图2)中，CNT YW为移位时钟的计数值，以WLl～WL8为欲显示汉字的原始字模，L10～L80为移位后从列上送出的8行显示字模信息，LLl～LL8为8个原始字模信息未送出位的暂存信号。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。    移位设计参考文献中有关移位寄存器的设计，分计数值为“0000"和非"0000"两部分处理，对第一行字模的处理为：
   
    其他行可按相同方法处理，具体参见如下的程序：


    右移处理方法与上面左移相反，如对第一行可按如下方法处理：

    上移时的部分程序按以下思路编制：L10～L70在CNT_YW为初态“0000”时，各信号均赋值X“00”，非初态时，均进行上移一位。即：L10<=L20；L20<=L30；…；L60<=L70；L70<=L80；对于L80，在汉字移进LED过程中即前8个状态各移进一个新行，在移出LED即后8个状态时，都补进X“00”。程序如下：

    下移程序可按相反思路去编。
3．4 显示模块DISP设计
    显示模块DISP是以CNT_SM为扫描计数器，是对1kHz进行三位循环计数，由前述的时钟计数产生模块产生，WLl～WL8为待送出显示的8个8位字型码，由前述的移位模块YW提供；SW[7．．O]为行扫描输出信号，连接至点阵的8个行；DATA[7．．0]为行扫描时对应的列输出字型码，对外连至点阵的8列。该模块参考文献中数码管动态显示程序进行设计如下：



4 硬件实现
    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。

5 系统扩展
    本文是针对8×8点阵设计，故每次取8个字形码，如果是16×16点阵，将RONZI中存储的字形码改为16位，数据线改为16位，一个汉字需要16个16位的字形码，数据分配模块MUX、移位模块YW、显示模块DISP，均要将输入输出数据中的原来的8位改成相应的16位。扫描及取字型码计数器CNT_SM应改为CNT计数器的低4位。一个16×16点阵汉字的移进移出共需32个状态。由5位的计数器提供。如用CNT[16．．0]中的14～10位作为该计数器，这可在时钟计数器产生单元CLK_GE中应做相应修改，字计数器CNT WORD按照每取16个字进行加1统计。显示DISP部分的译码器要由3-8译码改为4-16译码。显示的汉字信息越多，ROM的地址线位数越多，字计数器CNT_WORD应在时钟计数器产生单元GE_CLK中，将相应的计数器位数扩展，由CNT计数器的最高位到位15来承担。若还是8个汉字，计数器应为CNT[17．．O]，CNT[17．．15]为字计数器；若为16个汉字，计数器应为CNT[18．．O]，CNT[18．．15]为字计数器，…，依次类推。

6 结语
    本文在KH31001开发板上实现了基于Altera公司的Cyclone I系列FPGA器件EPlC6Q240C8硬件及VHDL硬件描述语言设计的LED点阵汉字滚动显示，能在8×8点阵上滚动显示“元旦生日开心快乐”8个汉字。文中从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。