基于單片機(jī)和可編程邏輯器件的LED顯示屏顯示

　　LED顯示屏主要由電流驅(qū)動(dòng)電路及LED點(diǎn)陣陣列、控制系統(tǒng)和PC端管理軟件三部分構(gòu)成（圖1）。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)換和處理各種外部信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)掃描控制，然后驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣顯示需要的文字或圖案。控制系統(tǒng)作為LED顯示屏的核心部分，直接決定了顯示屏的顯示效果和性能的優(yōu)劣。本文詳細(xì)分析采用VerilogHDL對(duì)ATF1508AS進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)雙口RAM訪問和產(chǎn)生LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路所需的各種時(shí)序信號(hào)。
　　
　　1、LED顯示屏的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)
　　
　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)采用單片機(jī)+CPLD的方案來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)控制系統(tǒng)可分為：信號(hào)接收及處理模塊和CPLD的掃描控制模塊和LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊，如圖1所示。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是使用雙口RAM和CPLD芯片，解決LED顯示屏中高速數(shù)據(jù)傳輸和快速掃描控制的難題，大大提高了動(dòng)態(tài)顯示的刷新率。
　　
　　信號(hào)接收與處理模塊的功能是AT89S52單片機(jī)通過串口接收PC送來的點(diǎn)陣信息，同時(shí)對(duì)點(diǎn)陣信息做各種不同的處理。利用雙口RAMIDT7007在單片機(jī)和ATF1508AS之間以共享的方式建立高速的數(shù)據(jù)交換通道。
　　
　　CPLD的掃描控制模塊采用ATF1508AS芯片實(shí)現(xiàn)。其功能是從雙口RAM讀取點(diǎn)陣信息，串行化后送顯示掃描驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)輸出各種所需的控制信號(hào)。CPLD具有掃描速度快，延時(shí)短等特點(diǎn)，克服了單片機(jī)由于傳輸速率慢而造成在大屏幕顯示時(shí)產(chǎn)生的閃爍效應(yīng)。
　　　　2、基于CPLD的掃描控制模塊的設(shè)計(jì)
　　
　　2.1設(shè)計(jì)思想
　　
　　本模塊的功能是從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸送到顯示屏體上，同時(shí)產(chǎn)生各種控制信號(hào)。時(shí)序產(chǎn)生模塊由兩部分構(gòu)成，一是產(chǎn)生訪問雙口RAM的時(shí)序，二是產(chǎn)生LED顯示屏接口所需的各種信號(hào)。
　　
　　硬件電路我們采用較常見的CPLD芯片ATF1508來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的時(shí)序產(chǎn)生部分。CPLD是一種具有豐富的可變成I/O引腳的可編程邏輯器件，不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而*的時(shí)序邏輯功能。軟件我們采用VerilogHDL語言來進(jìn)行設(shè)計(jì)。VerilogHDL是用于邏輯設(shè)計(jì)的硬件描述語言，已成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。利用VerilogHDL語言對(duì)ATF1508AS進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)掃描控制模塊所需的功能。
　　
　　掃描控制部分的原理電路如圖2所示，ATF1508AS是核心部分，需要根據(jù)系統(tǒng)需要定義ATF1508AS的各個(gè)I/O端口，下面是I/O端口定義和內(nèi)部寄存器定義的VerilogHDL語言代碼。
　　　　moduleLedSequ（color,datain,addrout,CE,OE,SEMR,RWC,sdr,sdb,sck,le,oe1,cs,clk,counter）;
　　
　　inputclk;//系統(tǒng)時(shí)鐘
　　
　　input[7:0]datain;//RAM數(shù)據(jù)輸入
　　
　　input[1:0]color;//顏色控制
　　
　　output[13:0]addrout;//地址輸出口
　　
　　outputSEMR,RWC;
　　
　　outputCE,OE,sdr,sdb,sck,le,oe1,cs;
　　
　　output[3:0]counter;
　　
　　reg[3:0]hcnt;//38譯碼器計(jì)數(shù)器
　　
　　reg[7:0]data1;//數(shù)據(jù)寄存器
　　
　　reg[3:0]counter;//38翻碼器輸出端
　　
　　regSEMR,RWC;
　　
　　regSDA,SDC;
　　
　　reg[13:0]addrout,addr;//addr地址計(jì)數(shù)器
　　
　　reg[3:0]state;//狀態(tài)寄存器
　　
　　reg[2:0]shcnt;//移位脈沖讀數(shù)器
　　
　　regCE,OE,sdr,sdb,sck,le,oe1,cs;
　　
　　reg[8:0]byte;
　　
　　parameters0=1'd0,s1=1'd1,s2=1'd2,s3=1'd3,s4=1'd4,s5=1'd5;//狀態(tài)常量
　　
　　2.2訪問雙口RAM時(shí)序的產(chǎn)生
　　
　　IDT7007是具有32KB的雙口RAM電路，與ATF1508AS的連接電路如圖2所示，其中：為片選信號(hào)，為讀寫控制信號(hào)，為輸出使能信號(hào)，A0R-A13R為右端口地址總線，D0R-D7R為右端口數(shù)據(jù)總線，其右端口讀寫時(shí)序如圖4所示。我們采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其基本工作原理是：S0狀態(tài)進(jìn)行初始化，S1狀態(tài)時(shí)ATF1508AS首先輸出地址信號(hào)addrout，然后置相有效，S2狀態(tài)讀取雙口RAM的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到內(nèi)容寄存器datain中，從而完成雙口RAM的讀數(shù)據(jù)過程。下面給出ATF1508AS讀取雙口RAM數(shù)據(jù)的主要代碼：
　　
　　always@（posedgeclk）
　　
　　begin//每個(gè)時(shí)鐘周期,狀態(tài)變化一次
　　
　　case（state）
　　
　　s0:begin//初始化狀態(tài)
　　
　　CE=1'b0;//IDT7007片選
　　
　　OE=1'b1;//IDT7007讀選通
　　
　　le=1'b0;
　　
　　oe1=1'b0;
　　
　　cs=1'b0;
　　
　　addr=14'b0;
　　
　　SEMR=1'b1;//IDT7007置1有
　　
　　RWC=1'b1;//寫控制1
　　
　　hcnt=4'b0000;
　　
　　counter=4'b0000;
　　
　　state=s1;
　　
　　end
　　
　　s1:begin//輸出RAM地址
　　
　　CE=1'b0;
　　
　　addrout=addr;//輸出地址
　　
　　OE=1'b0;
　　
　　SEMR=1'b1;
　　
　　RWC=1'b1;
　　
　　shcnt=3'b000;
　　
　　state=s2;
　　
　　end
　　
　　s2:begin//讀雙口RAM數(shù)據(jù)
　　
　　oe1=1'b0;
　　
　　data1=datain;
　　
　　state=s3;
　　
　　end
　　
　　……（顯示掃描及LED驅(qū)動(dòng)代碼部分）
　　
　　endcase
　　
　　end
　　
　　2.3LED顯示驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生
　　
　　CPLD與LED點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)電路接口如圖所示，其中：CS為3-8譯碼器片選信號(hào)；OE為BMI5026輸出使能信號(hào)，控制LED點(diǎn)陣是否能被點(diǎn)亮；LE為驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)；sck為移位脈沖，將CPLD串行輸出的紅綠數(shù)據(jù)串行移入MBI5026（移位寄存器）；A-D為雙3-8譯碼器構(gòu)成的4-16譯碼器的數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)顯示行選通控制；sdr為紅數(shù)據(jù)信號(hào)線；sdb為綠數(shù)據(jù)信號(hào)線。
　　
　　其工作過程為：S3狀態(tài)，sck脈沖置0，sdr和sdb分別輸出一位數(shù)據(jù)；S4狀態(tài)時(shí)，sck置1，紅和綠數(shù)據(jù)分別移入相應(yīng)移位寄存器BMI5026，若不足8位時(shí)，返回S3狀態(tài)，若不足一行時(shí)，返回S1狀態(tài)，讀下一個(gè)字節(jié)，若完成一行數(shù)據(jù)移位過程，則轉(zhuǎn)S5狀態(tài)；S5狀態(tài)時(shí)，置le為0，將BMI5026的緩沖寄存中一個(gè)顯示行的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)送輸出寄存器，同時(shí)置cs1有效，控制第hcnt行的點(diǎn)陣顯示，然后判斷一屏內(nèi)容是否顯示完成，返回s1狀態(tài)。圖4為完整的有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖。
　　
　　下面給出LED顯示屏體驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)對(duì)應(yīng)的VerilogHDL程序代碼：
　　
　　s3:begin
　　
　　sck=1'b0;
　　
　　sdr=SDA&&color[0];
　　
　　sdb=SDC&&color[1];
　　
　　OE=1'b1;CE=1'b1;
　　
　　state=s4;
　　
　　end　　
　　s4:begin//移位輸出到LED顯示屏
　　
　　sck=1'b1;
　　
　　shcnt=shcnt+1'b1;
　　
　　if（shcnt==0）
　　
　　begin
　　
　　addr=addr+1'b1;//讀完一個(gè)字節(jié)地址記數(shù)器加1
　　
　　byte=byte+8'b1;
　　
　　if（byte==nrow）//如果讀完一行數(shù)據(jù)
　　
　　begin
　　
　　oe1=1'b1;//關(guān)LED顯示
　　
　　cs=1'b1;
　　
　　le=1'b0;//驅(qū)動(dòng)芯片寫入數(shù)據(jù)
　　
　　byte=8'b0;
　　
　　state=s5;//讀完一行數(shù)據(jù)則顯示
　　
　　end
　　
　　elsestate=s1;
　　
　　end
　　
　　elsestate=s3;//當(dāng)前字節(jié)移位輸出
　　
　　end
　　
　　s5:begin
　　
　　sck=1'b0;
　　
　　le=1'b0;
　　
　　counter=hcnt;
　　
　　OE=1'b1;
　　
　　CE=1'b0;
　　
　　if（addr==nscreen）
　　
　　addr=0;
　　
　　oe1=1'b0;
　　
　　cs=1'b0;
　　
　　state=s1;
　　
　　end　　
　　 4、系統(tǒng)測試及仿真
　　
　　系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試環(huán)境是：單片機(jī)部分在KeilC51下調(diào)試，CPLD部分在Maxplus10下調(diào)試。LED顯示屏的掃描控制模塊的VerilogHDL源程序編寫完成后，在ALTERA公司Maxplus10可以*行軟件仿真，以觀察各信號(hào)是否符合硬件電路所需的時(shí)序要求。圖5為掃描模塊CLPD仿真結(jié)果，符合設(shè)計(jì)要求。通過JTAG接口下載到ATF1508AS后，系統(tǒng)工作正常。
　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　基于VerilogHDL實(shí)現(xiàn)的LED顯示屏掃描控制模塊，應(yīng)用于我們開發(fā)LED大屏幕電子信息顯示屏系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高性了性價(jià)比。該LED顯示屏在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的顯示效果，畫面清晰、性能穩(wěn)定，已經(jīng)在學(xué)校的多個(gè)部門得到應(yīng)用。