EDA基于FPGA的16×16點(diǎn)陣漢字顯示(1)

1、江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院EDA課程設(shè)計(jì)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院SOPC/EDA綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 基于FPGA的16*16點(diǎn)陣漢字顯示設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)老師： 王忠鋒完成時(shí)間： 2012年1月6日設(shè)計(jì)報(bào)告綜合測(cè)試總評(píng)格式（10）內(nèi)容(40)圖表（10）答辯（20）平時(shí)（20） 目 錄前 言3第一章 基本概要41.1 EDA的基本特征和設(shè)計(jì)流程41.2 LED點(diǎn)陣顯示特點(diǎn)41.3 FPGA基本特點(diǎn)和設(shè)計(jì)的特點(diǎn)5第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求72.1.1設(shè)計(jì)要求72.1.2 要求分析72.2.設(shè)計(jì)方案72.3.LED的顯示原理82.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理8第三章 系

2、統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)103.1 32進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)103.2 16進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)113.3 列驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)133.4 行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)15第四章 原理圖仿真波形36第五章 課程設(shè)計(jì)體會(huì)37參考文獻(xiàn)38 前 言現(xiàn)代文明的一個(gè)明顯特征是城市中隨處可見的五顏六色的廣告宣傳，其中大多都是由LED點(diǎn)陣制作的漢字或圖形廣告，廣泛應(yīng)用在銀行、醫(yī)院、酒店、火車站、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館等各種公共場(chǎng)所。漢字轉(zhuǎn)動(dòng)顯示器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是用單片機(jī)來(lái)控制的，固然單片機(jī)方案具有價(jià)格低廉，程序編程靈活等特點(diǎn)，但由于單片機(jī)硬件資源術(shù)具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率高、集成度好、保密性強(qiáng)、易的限制，未來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)的變更和升級(jí)，總是要付出較多研發(fā)經(jīng)費(fèi)和較長(zhǎng)投放市場(chǎng)周期的代價(jià)，甚至

3、有可能需要重新設(shè)計(jì)。況且，在以顯示為主的系統(tǒng)中，單片機(jī)的運(yùn)算和控制等主要功能的利用率很低，單片機(jī)的上風(fēng)得不到發(fā)揮，相當(dāng)于很大的資源浪費(fèi)。采用EDA技術(shù)的自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法，借助相關(guān)開發(fā)軟件，例如Qualtus軟件，將硬件描述語(yǔ)言VHDL程序固化于具有豐富IO口、內(nèi)部邏輯和連線資源的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)中。該技于修改、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今數(shù)字 第 一 章 基本概要1.1 EDA的基本特征和設(shè)計(jì)流程 EDA技術(shù)是采用高級(jí)語(yǔ)言描述，具有系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合能力，它主要采用并行工程(Concurrent Engineering)設(shè)計(jì)和自頂向下(Top-down)設(shè)計(jì)方法，其基本思想是從系

4、統(tǒng)總體要求出發(fā)，分為行為描述、寄存器傳輸級(jí)描述、邏輯綜合三個(gè)層次，將設(shè)計(jì)內(nèi)容逐步細(xì)化，最后完成整體設(shè)計(jì)，這是一種全新的設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)理念。EDA技術(shù)是將傳統(tǒng)的“電路設(shè)計(jì)硬件搭試調(diào)試焊接”模式變?yōu)椤肮δ茉O(shè)計(jì)軟件模擬編程下載”方式，設(shè)計(jì)人員只需一臺(tái)微機(jī)和相應(yīng)的開發(fā)工具即可研制出各種功能電路。EDA技術(shù)將電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)從軟件編譯、 邏輯化簡(jiǎn)、 邏輯綜合、 仿真優(yōu)化、 布局布線、 邏輯適配、 邏輯影射、 編程下載 、生成目標(biāo)系統(tǒng)的全過(guò)程在計(jì)算機(jī)及其開發(fā)平臺(tái)上自動(dòng)處理完成。1.2 LED點(diǎn)陣顯示特點(diǎn)1. 可以顯示各種數(shù)字、文字、圖表、曲線、圖形；2. 采用純紅、高綠作雙基色發(fā)光器件，發(fā)光亮度高，色彩鮮艷、

5、 豐富；3. 顯示效果清晰、穩(wěn)定、功耗低、壽命長(zhǎng)；4. 優(yōu)質(zhì)鋁合金結(jié)構(gòu)，磨沙、銀鏡或鈦金不銹鋼包邊。尺寸和規(guī)格可根據(jù)需要靈活組合；5. 支持各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，編輯軟件豐富、易用；6. 適用于室內(nèi)、外所有信息發(fā)布及廣告宣傳場(chǎng)所。如：銀行、證券交易所、商場(chǎng)、市場(chǎng)、賓館、灑樓、電信、郵政、醫(yī)院、車站、機(jī)場(chǎng)等。1.3 FPGA基本特點(diǎn)和設(shè)計(jì)的特點(diǎn)基本特點(diǎn)：1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)

6、最小的器件之一。5) FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 圖1-1FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)FPGA 的主要特點(diǎn)是: 寄存器數(shù)目多, 采用查找表計(jì)數(shù),適合時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。 但是互連復(fù)雜, 由于互連采用開關(guān)矩陣,因而使得延時(shí)估計(jì)往往不十分準(zhǔn)確。FPGA 也有其自身的局限性, 其一就是器件規(guī)模的限制,其二就是單元延遲比較大。 所以, 在設(shè)計(jì)者選定某一FPGA器件后, 要求設(shè)計(jì)者對(duì)器件的結(jié)構(gòu)、性能作深入的了解, 在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 就必須考慮到器件本身的結(jié)構(gòu)及性能, 盡可能使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足器件本身的要求. 這樣就增加了設(shè)計(jì)的難度。離開對(duì)FPGA 結(jié)構(gòu)的詳細(xì)了解, 設(shè)計(jì)人

7、員就不可能優(yōu)化設(shè)計(jì)。因而設(shè)計(jì)人員必須了解FPGA 器件的特性和限制, 熟悉FPGA 的結(jié)構(gòu)。在了解FPGA 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 就可以利用VHDL 語(yǔ)言描寫出高效的電路描述實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的電路。 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 使用FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)1616的點(diǎn)陣顯示的控制器，使點(diǎn)陣顯示器以兩種花樣顯示“江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院歡迎您！”2.1.1設(shè)計(jì)要求1輸出預(yù)定義“江、西、理、工、大、學(xué)、應(yīng)、用、科、學(xué)、學(xué)、院、歡、迎、您、”十五個(gè)漢字；2輸出漢字循環(huán)顯示；3操作方便、可維護(hù)性高；4程序簡(jiǎn)捷、便于修改。2.1.2 要求分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以分析出：點(diǎn)陣顯示的花樣有靜態(tài)顯示一個(gè)漢字，一屏一

8、屏的顯示漢字還有滾動(dòng)顯示漢字，還可以用亮著的燈顯示漢字或者用暗著的燈顯示漢字。2.2.設(shè)計(jì)方案 方案一：用亮著的燈組合所要顯示的字。 方案二： 用暗著的燈組成所需要的字。兩種花樣顯示都是用一屏一屏的顯示方法。 圖2-1 方案一示例 圖2-2 方案二示例2.3.LED的顯示原理1616掃描LED點(diǎn)陣的工作原理同8位掃描數(shù)碼管類似。它有16個(gè)共陰極輸出端口,每個(gè)共陰極對(duì)應(yīng)有16個(gè)LED顯示燈，所以其掃描譯碼地址需4位信號(hào)線（SEL0-SEL3），其漢字掃描碼由16位段地址（0-15）輸入。 通過(guò)時(shí)鐘的每列掃描顯示完整漢字。圖2-3 LED燈紅綠信號(hào) 圖2-4 1616點(diǎn)陣LED等效電路2.4系統(tǒng)設(shè)

9、計(jì)原理616掃描LED點(diǎn)陣只要其對(duì)應(yīng)的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)亮。例如如果想使左上角LED點(diǎn)亮，則Y0=1，X0=0即可。應(yīng)用時(shí)限流電阻可以放在X軸或Y軸。它有16個(gè)共陰極輸出端口，每個(gè)共陰極對(duì)應(yīng)有16個(gè)LED顯示燈。本實(shí)驗(yàn)就是要通過(guò)CPLD芯片產(chǎn)生讀時(shí)序，將字形 從寄存器中讀出，然后產(chǎn)生寫時(shí)序，寫入1616的點(diǎn)陣，使其掃描顯示輸出。為了顯示整個(gè)漢字，首先分布好漢字的排列，以行給漢字信息；然后以128HZ的時(shí)序逐個(gè)點(diǎn)亮每一行，即每行逐一加高電平，根據(jù)人眼的視覺(jué)殘留特性，使之形成整個(gè)漢字的顯示。LED點(diǎn)陣每個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)紅色的發(fā)光二極管。點(diǎn)陣內(nèi)的二極管間的連接都是行共陽(yáng)，列共陰。本實(shí)驗(yàn)采用

10、共陰，當(dāng)二極管的共陽(yáng)極為高電平，共陰極為低電平時(shí)，所接點(diǎn)發(fā)光；反之處于截止?fàn)顟B(tài)，不放光。本實(shí)驗(yàn)采取行掃描方式，用列給文字信息，利用周期為1s的脈沖來(lái)控制所顯示的字。本設(shè)計(jì)由32進(jìn)制計(jì)數(shù)器(COUNT32)，16進(jìn)制計(jì)數(shù)器(COUNT16)，行驅(qū)動(dòng)（LYH）和列驅(qū)動(dòng)(BBLK)組成。圖2-5 1616點(diǎn)陣原理圖 第三章 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) 3.1 32進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì) COUNT32.vhd是32進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，其每計(jì)一次數(shù)，輸出一個(gè)字。例如當(dāng)計(jì)數(shù)為“00000B”時(shí)顯示“江”，當(dāng)計(jì)數(shù)為“00001B”時(shí)顯示“西”。給其脈沖周期為1S。其描述如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LO

11、GIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY COUNT32 ISPORT( CLK1: IN STD_LOGIC;QOUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);END ENTITY COUNT32;ARCHITECTURE BEHV OF COUNT32 ISSIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK1)BEGINIF (CLK1EVENT AND CLK1=1) THENCQI=CQI+1;END IF;QOUT=CQI;EN

12、D PROCESS;END ARCHITECTURE BEHV;圖3-1 CUONT32.VHD仿真波形圖圖3-2 COUNT32原理圖從上圖中可以看出，本模塊是32進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，當(dāng)CLK1給予脈沖時(shí)輸出為前一個(gè)數(shù)值加1，例如：在31.46ms前輸出為00110B，在這個(gè)時(shí)刻CLK1給予觸發(fā)脈沖，31.46ms后的輸出為00111B。可以看出該模塊滿足設(shè)計(jì)要求。3.2 16進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)COUNT16.vhd是16進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，其輸出端控制行和列驅(qū)動(dòng)控制器的輸出數(shù)據(jù)；其描述如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGI

13、C_UNSIGNED.ALL;ENTITY COUNT16 ISPORT( CLK : IN STD_LOGIC;QOUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END ENTITY COUNT16;ARCHITECTURE BEHV OF COUNT16 ISSIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK)BEGINIF (CLKEVENT AND CLK=1) THENCQI=CQI+1;END IF;QOUT ROW ROW ROW ROW ROW ROW ROW ROW ROW ROW

14、 ROW ROW ROW ROW ROW ROW ROWcase CCK is when 0000 =b:=0100000000000000; when 0001 =b:=0011000000001000; when 0010 =b:=0001011111111100; when 0011 =b:=0000000001000000; when 0100 =b:=1000000001000000; when 0101 =b:=0110000001000000; when 0110 =b:=0010000001000000; when 0111 =b:=0000100001000000; when

15、 1000 =b:=0001000001000000; when 1001 =b:=0010000001000000; when 1010 =b:=1110000001000000; when 1011 =b:=0010000001000000; when 1100 =b:=0010000001001000; when 1101 =b:=0010111111111100; when 1110 =b:=0010000000000000; when 1111 =b:=0010000000000000; when others=null; end case;When 00001=case CCK i

16、s when 0000 =b:=0000000000000000; when 0001 =b:=0000000000000100; when 0010 =b:=1111111111111110; when 0011 =b:=0000010010000000; when 0100 =b:=0000010010000000; when 0101 =b:=0000010010000100; when 0110 =b:=0111111111111110; when 0111 =b:=0100010001000100; when 1000 =b:=0100010001000100; when 1001

17、=b:=0100010001000100; when 1010 =b:=0100010001000100; when 1011 =b:=0100100000110100; when 1100 =b:=0101000000000100; when 1101 =b:=0100000000000100; when 1110 =b:=0111111111111100; when 1111 =b:=0100000000000100; when others=null; end case;When 00010=case CCK is when 0000 =b:=0000000000001000; when

18、 0001 =b:=0000011111111000; when 0010 =b:=1111101001001000; when 0011 =b:=0010001001001000; when 0100 =b:=0010011111111100; when 0101 =b:=0010001001001000; when 0110 =b:=1111101001001000; when 0111 =b:=0010001111111000; when 1000 =b:=0010000001000000; when 1001 =b:=0010000001010000; when 1010 =b:=00

19、10001111111000; when 1011 =b:=0011110001000000; when 1100 =b:=1110000001000000; when 1101 =b:=0100000001000100; when 1110 =b:=0000111111111110; when 1111 =b:=0000000000000000; when others=null; end case;When 00011=case CCK is when 0000 =b:=0000000000000000; when 0001 =b:=0000000000001000; when 0010

20、=b:=0111111111111100; when 0011 =b:=0000000100000000; when 0100 =b:=0000000100000000; when 0101 =b:=0000000100000000; when 0110 =b:=0000000100000000; when 0111 =b:=0000000100000000; when 1000 =b:=0000000100000000; when 1001 =b:=0000000100000000; when 1010 =b:=0000000100000000; when 1011 =b:=00000001

21、00000000; when 1100 =b:=0000000100000100; when 1101 =b:=1111111111111110; when 1110 =b:=0000000000000000; when 1111 =b:=0000000000000000; when others=null; end case;When 00100=case CCK is when 0000 =b:=0000000100000000; when 0001 =b:=0000000100000000; when 0010 =b:=0000000100000000; when 0011 =b:=00

22、00000100000000; when 0100 =b:=0000000100000100; when 0101 =b:=1111111111111110; when 0110 =b:=0000000100000000; when 0111 =b:=0000001010000000; when 1000 =b:=0000001010000000; when 1001 =b:=0000001010000000; when 1010 =b:=0000001001000000; when 1011 =b:=0000001000010000; when 1100 =b:=00001000000100

23、00; when 1101 =b:=0001000000001110; when 1110 =b:=0110000000000100; when 1111 =b:=0000000000000000; when others=null; end case;When 00101=case CCK is when 0000 =b:=0010001000001000; when 0001 =b:=0001000100001000; when 0010 =b:=0000000000000000; when 0011 =b:=0000000000100000; when 0100 =b:=01111111

24、11111110; when 0101 =b:=0100000000000010; when 0110 =b:=1000000000000100; when 0111 =b:=0001111111100000; when 1000 =b:=0000000001000000; when 1001 =b:=0000000110000100; when 1010 =b:=1111111111111110; when 1011 =b:=0000000100000000; when 1100 =b:=0000000100000000; when 1101 =b:=0000000100000000; wh

25、en 1110 =b:=0000010100000000; when 1111 =b:=0000001000000000; when others=null; end case;When 00110=case CCK is when 0000 =b:=0000001000000000; when 0001 =b:=0000000100000100; when 0010 =b:=0011111111111110; when 0011 =b:=0010000000000000; when 0100 =b:=0010000100000100; when 0101 =b:=00101000100001

26、00; when 0110 =b:=0010010010000100; when 0111 =b:=0010010001001000; when 1000 =b:=0010001001001000; when 1001 =b:=0010001001001000; when 1010 =b:=0010001000010000; when 1011 =b:=0010001000010000; when 1100 =b:=0010000000100000; when 1101 =b:=0100000001000100; when 1110 =b:=1001111111111110; when 111

27、1 =b:=1001111111111110; when others=null; end case;When 00111=case CCK is when 0000 =b:=0000000000001000; when 0001 =b:=0011111111111100; when 0010 =b:=0010000100001000; when 0011 =b:=0010000100001000; when 0100 =b:=0010000100001000; when 0101 =b:=0011111111111000; when 0110 =b:=0010000100001000; wh

28、en 0111 =b:=0010000100001000; when 1000 =b:=0010000100001000; when 1001 =b:=0011111111111000; when 1010 =b:=0010000100001000; when 1011 =b:=0010000100001000; when 1100 =b:=0010000100001000; when 1101 =b:=0100000100001000; when 1110 =b:=0100000100101111; when 1111 =b:=1000000000010000; when others=nu

29、ll; end case; When 01000=case CCK is when 0000 =b:=0000010000010000; when 0001 =b:=0000111000010000; when 0010 =b:=1111100010010000; when 0011 =b:=0000100001010000; when 0100 =b:=0000100000010000; when 0101 =b:=1111111010010000; when 0110 =b:=0000100001010000; when 0111 =b:=0001110000010100; when 10

30、00 =b:=0001101000011110; when 1001 =b:=0010100111110000; when 1010 =b:=0010100000010000; when 1011 =b:=0100100000010000; when 1100 =b:=1000100000010000; when 1101 =b:=0000100000010000; when 1110 =b:=0000100000010000; when 1111 =b:=0000100000010000; when others=null; end case; When01001=case CCK is w

31、hen 0000 =b:=0010001000001000; when 0001 =b:=0001000100001000; when 0010 =b:=0001000100010000; when 0011 =b:=0000000000100000; when 0100 =b:=0111111111111110; when 0101 =b:=0100000000000010; when 0110 =b:=1000000000000100; when 0111 =b:=0001111111100000; when 1000 =b:=0000000001000000; when 1001 =b:

32、=0000000110000100; when 1010 =b:=1111111111111110; when 1011 =b:=0000000100000000; when 1100 =b:=0000000100000000; when 1101 =b:=0000000100000000; when 1110 =b:=0000010100000000; when 1111 =b:=0000001000000000; when others=null; end case; When 01010=case CCK is when 0000 =b:=0010001000001000; when 0

33、001 =b:=0001000100001000; when 0010 =b:=0001000100010000; when 0011 =b:=0000000000100000; when 0100 =b:=0111111111111110; when 0101 =b:=0100000000000010; when 0110 =b:=1000000000000100; when 0111 =b:=0001111111100000; when 1000 =b:=0000000001000000; when 1001 =b:=0000000110000100; when 1010 =b:=1111

34、111111111110; when 1011 =b:=0000000100000000; when 1100 =b:=0000000100000000; when 1101 =b:=0000000100000000; when 1110 =b:=0000010100000000; when 1111 =b:=0000001000000000; when others=null; end case;When 01011=case CCK is when 0000 =b:=0000000010000000; when 0001 =b:=0111100001000000; when 0010 =b

35、:=0100111111111110; when 0011 =b:=0101010000000010; when 0100 =b:=0101100000010100; when 0101 =b:=0110001111111000; when 0110 =b:=0101000000000000; when 0111 =b:=0100100000001000; when 1000 =b:=0100111111111100; when 1001 =b:=0100100010100000; when 1010 =b:=0110100010100000; when 1011 =b:=0101000010100000; when 1100 =b:=0100000100100010; when 1101 =b:=0