EDALED点阵显示屏控制系统设计.doc

《EDA技术与应用》

课程设计报告

题 目： LED点阵显示屏控制系统设计
院 （系）： 机电与自动化学院
专业班级： 自动化
学生姓名：
学 号： 2014
指导教师：

2017年6月 19日至2017年 6 月23 日

*******
《EDA技术及应用》课程设计任务书
一、设计题目
LED点阵显示屏控制系统设计
二、设计主要内容
(1) 控制要求
本课程设计要求根据输入指令要求对16*16点阵的LED显示屏进行显示控制，在控制过程中以EP3C10E144C8为主控芯片，利用译码芯片进行行扫描控制，同时输出字型码进行显示控制。
① 根据控制要求，编写VHDL程序实现LED点阵屏控制功能；
② 使用字库转换软件实现汉字字型码的转换。
③ 要求能够实现名字及学号的现示，要求能够实现字符不同的移动显示方向，能够实现不同的显示速度(时钟频率不变)。
(2) 设计要求
① 设计FPGA的基础工作电路；
② 设计LED点阵屏，译码电路，驱动电路及FPGA芯片的硬件电路连接；
③ 程序设计及仿真调试；
④ 程序下载并进行硬件调试
（3）撰写说明书
① 含系统硬件设计电路；
② 含软件设计（程序及必要的说明）；
③ 含软件仿真及生成的顶层文件，含代码生成的硬件电路；
④ 调试及调试结果，以及在调试过程中出现的问题及解决办法。

三、原始资料
(1) 16*16点阵LED屏可显示数字及汉字，对于点阵，在给出字型码数据的同时给出行扫描信号，通过控制给出数据的速度，结合人体的视觉效应可以使点阵屏稳定显示字符；
(2) 本系统控制的还有译码电路及驱动电路。通过输出译码数据，可以调整显示字符的移动方向。
(3) 在控制过程中，可以外接控制开关控制字符显示方式；
(4) EP3C10E144C8芯片只能输出3.3V电压，对于16个LED液晶灯的驱动是不够的，因此必须有外接驱动电路提供足够的驱动能力。
驱动点阵屏显示

根据输入信号产生点阵屏的控制数 据
控制信号
驱
动
电
路
CLK
译
码
电
路

四、要求的设计成果
在QuartusII软件中新建原理图文件，编译，仿真，锁定管脚并下载到目标芯片。
(1) 根据设计要求, 设计系统的原理框图，说明系统中各主要组成部分的功能；
(2) 在QuartusII软件中，编写各个模块VHDL源程序；并上机调试通过；
(3) 根据软件编好用于系统仿真的测试文件；
(4) 编好用于硬件验证的管脚锁定文件；
(5) 记录系统各个模块仿真结果；
(6) 记录调试过程中出现的问题及解决办法。
注意：基本要求学生必须完成，学有余力的学生可以在基本要求完成的前提下，选择其它方案完成设计。一般来说，生成的硬件电路越简单考查评价就越高。
五、进程安排
序号
课程设计内容
学时分配
备注
1
集中学生学习课程设计的关键理论知识、分配设计任务、明确设计要求、查找资料等。
0.5天

2
根据任务的要求进行方案构思，初选方案，绘制系统原理框图并与指导教师讨论，方案定稿。
0.5天

3
完成各模块的VHDL程序设计、编译和时序仿真
2天

4
编程、下载，结合硬件平台，进行调试。完成顶层文件图绘制，对编制好的文件交给老师检查，并按照老师要求修改。
1天

5
撰写课程设计说明书
0.5天

6
答辩及验收课程设计
0.5天

合计
5天

六、主要参考资料
[1] 侯伯享. VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计. 西安：西安电子科技大学出版,2010
[2] 潘松. EDA技术实用教程. 成都：电子科技大学出版社,2010
[3] 李玉山. 电子系统集成设计技术. 北京：电子工业出版社，2010.6.
[4] 李国丽.EDA与数字系统设计.北京：机械工业出版社,2009
[5] 周彩宝.VHDL语言及其应用. 上海:华东计算机技术研究所：2009
[6] 谭会生.EDA技术中和应用实例与分析.西安:西安电子科技大学出版社,2008

指导教师（签名）：
20 年 月 日
摘 要：我国经济正处于发展的高峰期，也需要广大的公共场合信息公示平台，而利用LED点阵滚动显示正好符合情况，且这种方式已经成为信息传递的一种重要手段。因此，在日常生活中，点阵随处可见。通过多种控制手段，点阵还可以实现各种文字甚至图案的动态显示。在不同的应用场合，点阵的设计要求也是不同的。传统思路一般是应用单片机实现点阵控制，但该方法有一定的局限性。
该次课程设计主要研究利用VHDL语言编程来设计汉字的显示。首先描述相应的设计电路；然后叙述在16*16矩阵显示汉字的原理；最后给出描述功能的VHDL设计语言。并通过编程、调试、仿真、下载正确实现汉字滚动、扫描显示结果。

关键词： LED点阵；FPGA；VHDL语言；汉字滚动显示。

目录

1．实验要求及总体方案 1
1.1 实验要求 1
1.2 扫描显示 1
1.3 滚动显示 1
2．LED点阵显示原理 1
2.1 LED点阵原理 1
2.2汉字取模 2
3．扫描显示 3
3.1 设计基本原理 3
3.2计数器设计 3
3.3 列驱动设计 4
3.4 行驱动设计 4
4.仿真图原理图及实物图 4
4.1仿真图 4
4.2原理图 5
4.3实物图 6
5.程序 7
参考文献： 10

1．实验要求及总体方案
1.1 实验要求
本课程设计要求根据输入指令要求对16*16点阵的LED显示屏进行显示控制，在控制过程中以EP3C10E144C8为主控芯片，利用译码芯片进行行扫描控制，同时输出字型码进行显示控制。
1.2 扫描显示
采用从上往下依次点亮，扫描显示16列。每次显示一个汉字，显示完毕后扫描显示第二汉字，之后刷新显示第三汉字，依次刷新显示“高思禹20142101009”。循环显示以上汉字。
1.3 滚动显示
利用ROM库的方法，采用滚屏显示，使每一位都置‘1’这就实现了点亮；当第‘0’位也置‘1’后，给第0位也置‘0’，再采用上下的方法将每一位都置‘0’，这就实现了反相依次熄灭，等第15位为‘0’时，又重新开始，以此循环。

2．LED点阵显示原理
2.1 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2-1 16*16点阵LED等效电路
图2-1 16*16点阵LED等效电路

图2-1 点阵图

点阵LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式： 点扫面、行扫描、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（16颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。
2.2汉字取模

图2-2 汉字取模
用取模软件依次取出相应字的代码，其中的16进制数可利用计算机中的计算器软件转换成二进制即可。
3．扫描显示
3.1 设计基本原理

16*16LED灯

JC2

74HC245

74 HC154

74HC245

图3-1 基本原理图

16×16扫描LED点阵只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮；计数器模块用来控制每个字显示的时间长短，当计数器计数到设定的值后，显示屏就换下一个字；本设计由32进制计数器(COUNT32)，16进制计数器(COUNT16)，行驱动（XIANSHI）和列驱动(ROWCON)组成。

3.2计数器设计
s1是计数器，其每计一次数，更换一个字显示。例如当计数为 “0010”时显示“*”，当计数为“0011”时显示“*”，按要求需显示“*********”，所以当计数为“1110”时又循环显示“*”，给其脉冲周期为1S,1S钟换一个字。
3.3 列驱动设计
b0控制所亮的行，当输出为0001时，给点阵的第一列高电平，输出为0010H时，给点阵的第二行列电平，依次类推，逐次给每列高电平。
3.4 行驱动设计
该模块控制的是所显示的字。例如当s1为0001时，表示显示第一个字；当s1为00010时，表示显示第二个字，依次类推。b0控制所显示的为字的第几行，例如当b0为0001时，表示输出字的第一行文字信息；b0为0010时，表示输出字的第二行文字信息，依次类推。

4.仿真图原理图及实物图
4.1仿真图

图4-1 时序仿真图

4.2原理图

图4-2 原理图（上下连接）
4.3实物图

图4-3滚动显示实物图
5.程序
Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Use ieee.std_logic_unsigned.all;
Entity G is
Port(clk:in std_logic;
s0:out std_logic_vector(3 downto 0);
Cout:out std_logic_vector(15 downto 0));
End G;
ARCHITECTURE bhv of G is
signal b0:std_logic_vector(3 downto 0);
Signal s1:std_logic_vector(3 downto 0);
Signal s2:std_logic_vector(15 downto 0);
Begin
a1:process(clk) begin
If clk'event and clk='1' then
b0<=b0+1;
end if;
s0<=b0;
End process;
a2:process(clk) begin
If clk'event and clk='1' then
Case s1 is
When"0001"=>case b0 is--高
When"0001"=>s2<="0000000110000000";
When"0010"=>s2<="1111111111111111";
When"0011"=>s2<="0000000000000000";
When"0100"=>s2<="0001111111111000";
When"0101"=>s2<="0001100000011000";
When"0110"=>s2<="0001111111111000";
When"0111"=>s2<="0000110000110000";
When"1000"=>s2<="0111111111111110";
When"1001"=>s2<="0110100000000110";
When"1010"=>s2<="0110111111110110";
When"1011"=>s2<="0110110000110110";
When"1100"=>s2<="0110110000110110";
When"1101"=>s2<="0110111111110110";
When others=>s2<="0000000000000000";
End case;
When"0010"=>case b0 is--*
When"1111"=>s2<="0000000000000000";
When"0000"=>s2<="0111111111111110";
When"0001"=>s2<="0111000110001110";
When"0010"=>s2<="0111000110001110";
When"0011"=>s2<="0111111111111110";
When"0100"=>s2<="0111000110001110";
When"0101"=>s2<="0111000110001110";
When"0110"=>s2<="0111111111111100";
When"0111"=>s2<="0000000000000000";
When"1000"=>s2<="0111110110001100";
When"1001"=>s2<="0111110111001110";
When"1010"=>s2<="0110110011100110";
When"1011"=>s2<="1110110001111111";
When"1100"=>s2<="1100110000011011";
When"1101"=>s2<="1100111111111000";
When others=>s2<="0000000000000000";
End case;
When"0011"=>case b0 is--*
When"1111"=>s2<="0000000000000000";
When"0001"=>s2<="0111111111111110";
When"0010"=>s2<="0000000110000000";
When"0011"=>s2<="0011111111111100";
When"0100"=>s2<="0111000110000110";
When"0101"=>s2<="0111000110000110";
When"0110"=>s2<="0011111111111100";
When"0111"=>s2<="0000000110000000";
When"1000"=>s2<="0111111111111110";
When"1001"=>s2<="1110000110110111";
When"1010"=>s2<="1110000110111111";
When"1011"=>s2<="1110000011111111";
When"1100"=>s2<="1111111100011111";
When"1101"=>s2<="1110000000001111";
When"1110"=>s2<="1110000001111110";
When others=>s2<="0000000000000000";
End case;
When others=>s2<="0000000000000000";
End case;
End if;
Cout<=s2;
End process;
a3: process(clk)
Variable m:integer range 0 to 511;
Variable int:std_logic;
Begin
If clk'event and clk='1' then m:=m+1;
If m=511 then
s1<=s1+1;
End if;
End if;
End process;

end ;

----程序只模拟扫描显示“高**”三个字。

参考文献：
[1]郭照南，孙胜麟.电子技术与EDA技术实验及仿真.长沙：中南大学出版社，2012.4
[2]孟庆斌，司敏山.EDA实验教程.天津：南开大学出出版社，2011.8
[3]吴岩海.EDA技术及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2012.1
[4]徐飞.EDA技术与实践.北京：清华大学出版社，2011.6

课程设计成绩评定表
成
绩
评
定
项 目
比例
得 分
平时成绩（百分制记分）
30%

业务考核成绩（百分制记分）
70%

总评成绩（百分制记分）
100%

评定等级
优 良 中 及格 不及格
指导教师（签名）：

20 年 月 日