LED点阵动画显示控制的VHDL程序实现

毕业设计说明书学生姓名： 赵 理 学 号： 20077435 系 部： 理工系 专业年级： 07级电子信息工程 题 目： LED点阵动画显示控制的VHDL程序实现 指导教师： 贺泽凡 评阅教师： 2011年5月02日中 文 摘 要主要研究基于VHDL的LED点阵动画显示首先描述了基于现场可编程门阵列（FPGA）的硬件电路，以及点阵显示汉字的原理；然后在单个16×16LED发光二极管点阵上滚动汉字的原理；最后给出了描叙其功能的VHDL语言程序设计方法通过编程、调试、仿真、下载正确地实现了汉字滚动动画显示扫描结果，其硬件系统的实验验证也获得了软件模拟仿真结论相吻合的结果关键词：LED点阵；FPGA；VHDL语言；动画显示 外 文 摘 要Title: LED dot matrix display and control of the VHDL animation program realizationAbstractThe design of this subject mainly researches Chinese characters scrolling display on LED dot matrix screen based on FPGA and VHDL . This article firstly describes the hardware circuit based on logic cell array,as well as the principle of Chinese characters display on LED dot matrix .Finally,the article gives the method of VHDL design which describes the function.This design realizes the results of Chinese characters scrolling and scanning correctly by programming ,debugging ,sinulation and download ,Also the experimintal verificattion of hardware systerns has received the conclusions in accordance with the results of software simulation .Key words：LED dot matrix;FPGA;VHDL;Chinese characters scrolling display目 次1 引言····························································12 设计方案························································22.1 方案一························································22.2 方案二························································22.3 方案比较······················································33扫描控制模块·····················································43.1 LED点阵原理···················································43.2 汉字的存储····················································43.3 汉字的显示····················································63.4 滚动速度的控制················································64 VHDL语言程序设计···············································74.1 扫描频率控制的部分关键程序····································74.2 单个汉字扫描的部分关键程序····································74.3 汉字滚动速度控制的部分关键程序································95 系统调试·······················································115.1 开发环境介绍·················································115.2 调试、仿真与体会·············································126 系统功能、指标参数·············································19结论·····························································20致谢·····························································22参考文献·························································231 引言随着我国经济的高速发展,对公共场合发布信息的需求日益增长，利用LED点阵动画显示汉字的出现正好适应了这一市场需求，已经成为信息传播的一种重要手段。

采用传统方法设计的汉字滚动显示器，通常需要使用单片机、存储器和控制逻辑电路来进行PCB板级的系统集成尽管这种方案有单片机软件的支持较为灵活，但是由于受硬件资源的限制，未来对设计的变更和升级，总是难以避免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电子设计自动化（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因此，本文主要阐述基于FPGA和VHDL语言实现在16×16点阵上的汉字动画显示问题2 设计方案2.1 方案一本文系统的LED点阵模块，共由16×16=256个LED发光二极管组成如何在该点阵模块上显示汉字是本文设计的关键技术。

本文系统设计是采用一种16路动态分时扫描技术来实现的具体方法是，将16×16数组的显示模块的行输入端与FPGA内的只读存储器ROM的16位数据输出端口相连；16个列控制端与一个4-16译码器A的输出相连；而译码器A的输入端和片选信号又与FPGA内的列扫描控制模块的输出端口scan4-scan0相连图1.1为方案的结构框图FPGA ADDR扫描控制模块ROMCS 4-16译码器A16×16点阵scan0-scan4Scan4行输入端列控制端 图2.1系统得结构框图2.2 方案二VHDL程序设计的是硬件，他和编程语言的最大区别是它可以“并发执行”本设计可以将LED显示屏要的显示内容抽象成一个二维数组（数组中的‘1’对映点阵显示屏上面的亮点），用VHDL语言设计一个进程将这个数组动态显示在LED显示屏上，再利用另一个进程对这个数组按一定频率进行数据更新，更新的方式可以有多种因为两个进程是同时进行的（并发执行），如果对数组中的汉字数据按滚动的方式更新，则可实现汉字的滚动显示图1.2为该方案的原理图动态显示图2.2 方案二的原理框图更新数组数据二维数组2.3 方案比较方案一很容易实现，而且占用FPGA的资源较少。

但是由于其实现方式的局限性，该方案只能实现汉字的滚动显示方案二中将LED点阵抽象成了一个二维数组可以设计一些比较复杂的算法来控制这个数组，使设计的系统不但可以滚动显示汉字，还可以扩展一些其它的显示效果但是方案二中对数组的处理部分对FPGA芯片的资源消耗太大根据自身条件以及硬件条件我最终选择方案一3 扫描控制模块3.1 LED点阵原理以下为16×16点阵LED外观及引脚图及其等效电路，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED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轴图3.1 16×16点阵LED外观图 图3.2 16×16点阵LED等效图 点阵LED扫描法介绍：点阵LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式： （1）点扫描（2）行扫描（3）列扫描若使用第一种方式，其扫描频率必须大于16×64=1024Hz，周期小于1ms即可若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16×8=128Hz，周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。

3.2 汉字的存储用动态分时扫描技术使LED点阵模块显示图像，需要进行两步工作第一步是获得数据并保存，即在存贮器中建立汉字数据库第二步是在扫描模块的控制下，配合行扫描的次序正确地输出这些数据获得图像数据的步骤是，先将要显示的每一幅图像画在一个如图3.3所示的被分成16×16共256个小方格的矩形框中，再在有笔划下落处的小方格里填上“1”，无笔划处填上“0”，这样就形成了与这个汉字所对应的二进制数据在该矩形框上的分布，再将此分布关系以32×16的数据结构组成64个字节的数据，并保存在只读存贮器ROM中以这种方式将若干个汉字的数据贮存在存贮器内，就完成了图像数据库的建立工作H0...........H15 L0…………………………………………………………L15L0…………………………………………………………L15 图3.3然后，依次对多汉字抽取像素信息，并按序排队存放起来，便可得到一个待显示数据序列将这个序列存到ROM中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LED 发光二极管点阵上滚动显示多汉字信息的目的由图3.4可知，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=n+m    图3.4 滚动显示多汉字信息的原理示意图3.3 汉字的显示先在扫描模块的控制下，由地址线确定每次由ROM送出某一列的16个LED所要显示的汉字的控制字节数据，同时由扫描模块输出的5位扫描码经两个4-16译码器解码后决定相应的某一列可以被点亮，而另外31列都不能被点亮。

该状态持续约0.4毫秒后，就接着进行下一行的扫描当完成了一次32行的扫描后，也就完成了一帧画面的显示重复上述过程不断修改ROM的地址区间的起始地址，转向下一幅画面的数据传送和显示如此进行，就可以在LED点阵模块上滚动显示ROM中存储的汉字3.4 滚动速度的控制将LED点阵看成一个滑窗通过这个“滑窗”每次能“看到”32个存储单元（2个汉字长度）的信息只读存储器ROM中链式的存放了若干个汉字的点阵信息，“滑窗”在这若干个汉字点阵信息上面滑动，我们通过“滑窗”看到的就是汉字的滚动显示在用VHDL编程的时候，可以定义一个变量x作为“滑窗”在ROM上的起始地址，设计一个进程按一定的频率对x进行累加，再设计一个进程将以x为起始地址的长度为32的ROM中的区域动态显示在LED点阵中显然x累加的速度决定了汉字的滚动速度此进程根据定义的信号n来控制x递增的速度，n由外部的按键控制n的范围为0~7代表了汉字的不同的滚动速度当n为0时汉字滚动的速度最快，n为7时LED点阵上显示的汉字静止4 VHDL语言程序设计4.1扫描频率控制的部分关键程序process(clk) --显示时序控制 begin if clk'event and clk=‘1' then --上升沿 dount<=dount+1;--计数累加 if dount=255 then if S=15 then S<="0000";--S控制单个汉字扫描周期 else S<=S+1; end if; S<=S+1; else S<=S; end if; if cdount<15 then --控制列扫描频率 cdount<=cdount+1; else cdount<="0000"; end if; end if; end process; 4.2单个汉字扫描的部分关键程序process(cdount,s) begin case cdount is --列扫描频率 when "0000"=>keyc<="0000000000000001"; --列选择 when "0001"=>keyc<="0000000000000010";--列扫描 共扫描8列 when "0010"=>keyc<="0000000000000100"; when "0011"=>keyc<="0000000000001000"; when "0100"=>keyc<="0000000000010000"; when "0101"=>keyc<="0000000000100000"; when "0110"=>keyc<="0000000001000000"; when "0111"=>keyc<="0000000010000000"; when "1000"=>keyc<="0000000100000000"; when "1001"=>keyc<="0000001000000000"; when others=>keyc<="0000000000000000"; end case; if s="0000" then --汉字"欢"扫描时间 case cdount is‘欢’ end case; end if;end process;--结束进程，各个进程之间是并发执行的4.3 汉字滚动速度控制的部分关键程序process(reset_n，clk_scan，flag_scan) --x的控制进程variable cntx：integer range 0 to 50；begin if(reset_n='0')then cntx：=0； x<=0； elsif(rising_edge(clk_scan))then if(flag_scan='1')then if(cntx=n×8 or cntx=cntx'high)then -- n由外部的按键控制,通过n来控制cntx的计数范围 cntx：=0； else cntx：=cntx+1； end if； if(cntx=n×8)then --通过n来控制x的增加 if(x=x'high)then x<=0； else x<=x+1； end if； end if； end if； end if；end process；此进程根据定义的信号n来控制x递增的速度，n由外部的按键控制。

n的范围为0~7代表了汉字的不同的滚动速度当n为0时汉字滚动的速度最快，n为7时LED点阵上显示的汉字静止5 系统调试与仿真5.1 开发环境介绍 Quartus II 是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、Veril-ogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。

Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎 Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添 了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。

支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件5.2 调试、仿真与体会5.2.1 创建工程在Quartus II 中新建一个VHDL File文件，将vhdl代码输入这个文件，并保存到工作目录，名为ledarray.vhd利用new preject wizard 工具创建一个工程，工程名为ledarray,顶层文件实体名为 ledarray，并将上面创建的ledarray.vhd文件加入到工程中5.2.2 编译前设置（1）选择目标芯片用assignmemts-àsettings命令，弹出settings对话框，选择目标芯片为EP2C5T144C8图5.1 选择目标器件（2）选择工作方式，编程方式，及闲置引脚状态单击上图中的device&pin options按钮，弹出device&pin options窗口 在General项中选中auto-restart configuration after error,使对FPGA的配置失败后能自动重新配置，并加入JTAG用户编码 图5.2 选择配置器件工作方式在configuration项中，其下方的Generate compressed bitstreams处打勾，这样就能产生用于EPCS的POF压缩配置文件。

在Configuration 选项页，选择配置器件为EPCS1，其配置模式选择为active serial图5.3选择编程方式在Unused pins项，将目标器件闲置引脚状态设置高阻态，即选择As input,tri-stated图5.4 设置闲置引脚状态5.2.3 全程编译设置好前面的内容之后，就可以进行编译了选择Processing菜单中start compilation，在窗口的下方processing栏中显示编译信息图5.5 全程编译成功完成完成后在工程管理窗口左是角显示了工程ledarray 的层次结构和其中结构模块耗用的逻辑宏单元数此栏的右边是编译处理流程，包括数据网表建立、逻辑综合、适配、配置文件装配和时序分析等5.2.4时序仿真（1）新建一个矢量波形文件，同时打开波形编辑器设置仿真时间为50us,保存波形文件为ledarray.vwf2）将工程ledarray的端口信号名选入波形编辑器中，所选的端口有clk,及总线keyc和keyr设置clk的时钟周期为2us，占空比为50%图5.6 选择仿真控制仿真器参数设置选择菜单Assignment中的Settings，在Settings窗口下选择Simulator，在右侧的simulation mode项下选择timing，即选择时序仿真，并选择仿真激励文件名ledarray.vwf。

选择simulation options栏，确认选定simulation coverage reporting; 毛刺检测Glitch detection 为1ns 宽度;选中Run simulation until all vector stimuli 全程仿真现在所有设置进行完毕，在菜单processing项下选择start simulation，直到出现simulation was successful，仿真结束 仿真文件simulation report 通常会自动弹出，否则选择processingàsimulation report 图5.7 仿真波形输出Quartus II可以实现硬件描述语言或网表文件对应的RTL电路图的生成选中Tools菜单中的Netlist 项，在出现的下拉菜单中有三个选项：RTL viewer,即HDL的RTL级图形观察器;Technology Map Viewer,即HDL对应的FPGA底层门级布局观察器；State Machine viewer,即HDL对应的状态机观察器选择第一项可以打开ledarray工程的RTL电路图图5.8 RTL电路图程序调试的时候，要将整个系统程序分成不同的功能块进行调试，最后再加以整合。

程序调试一定要细心，一定要有耐心，只有这样才能取得最后的成功6系统功能、指标参数本实验要达到的最终目标是：在16×16点阵上滚动显示出事先设定好的汉字，并设定一些功能键，在按下相应的键时，汉字的滚动速度以及方向可以调整，并可以显示一些特殊图案结 论经过这段时间的努力，我的毕业论文终于完成并定稿本设计是通过对VHDL语言的编程来控制FPGA，然后再通过FPGA控制16×16LED点阵来实现汉字动画显示毕业论文是本科阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的论文设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高了查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑编程的能力，而且通过对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了一定程度的锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升这是我们都希望看到也是我们进行毕业论文的意义所在虽然毕业论文内容繁多，过程繁琐但我的收获更加丰富方案的选择、VHDL语言的程序设计、动画显示的设计、系统最后的调试以及仿真，我都随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用。

和老师的沟通交流更使我从经济以及条件方面的因素对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求在设计过程中碰到了很多让我头痛的问题，象如何完成汉字的动画滚动显示，这也是本设计的关键，由于以前对这方面的知识没有做过多了解，让我意识到只能通过跟指导老师以及专业知识扎实的同学请教，翻阅相关资料，以达到更好的去了解和理解难题提高是有限的但提高也是全面的，正是这么一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的的应变能力，更强的沟通力和理解力从不知道如何写毕业论文，到顺利完成本次毕业设计，这给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满了信心 本着此设计的背景：基于可编程FPGA器件进行系统芯片集成的新设计方法，正在快速地替代基于PCB板的传统设计方式（使用单片机、存储器和控制逻辑电路来进行PCB板级的系统集成）在这样的发展趋势下，这次的设计让我顺应时代突破自我将其圆满完成，甚是开心在以后的工作道路上，我也会更加关注这方面的知识，来不断完善自己的专业知识，一步一步的提高自己的动手能力致 谢通过这一阶段的努力，我的毕业论文《LED点阵动画显示控制的VHDL程序实现》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。

在大学阶段，我在学习上和思想上都受益匪浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的在本论文的写作过程中，我的导师贺泽凡教授倾注了大量的心血，从选题到任务书、审题表、开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始我将铭记我曾是一名中南林业科技大学涉外学子，在今后的工作中把学校的优良传统发扬光大   时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激！ 参考文献：[1] 潘松.黄继业.EDA技术实用教程.-3版.-北京:科学出版社,2006[2] 王道宪.CPLD/FPGA可编程逻辑器件应用与开发.-北京:国防工业出版社,2004[3] 徐惠民.安德宁.数字逻辑设计与VHDL描述.北京:机械工业出版社,2002[4] 汤琳宝.陈恒.顺敏.可编程逻辑器件与数字系统设计.上海:上海大学出版社,2000[5] 褚振勇.翁木云.FPGA设计及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002[6] 袁文波.张皓，唐振中.FPGA应用开发从实践到提高.-北京：中国电力出版社，2007[7] 王金明.杨吉斌.数字系统设计与Verilog HDL.北京：电子工业出版社，2002[8] 徐志军.徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用.北京：电子工业出版社，2002[9] 王锁萍.电子设计自动化（EDA）教程.成都：成都电子科技大学出版社，2000[10] 曾繁泰.陈美金.VHDL程序设计.北京：清华大学出版社，2000[11] 朱正伟.EDA技术及应用．清华大学出版社，2005年10月．1[12] 童诗白.华成英 ．模拟电子技术基础．清华大学，2006年5月．4[13] 阎石.数字电子技术基础．北京，1998年12月．150。

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