EDA/PLD中的基于CPLD和Embedded System的LED点阵显示系统实现(TIP127)
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2020-12-10
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EDA/PLD中的基于中的基于CPLD和和Embedded System的的LED点阵显点阵显
示系统实现示系统实现(TIP127)
摘要：采用自顶向下的设计思想，综合运用EDA 技术、CPLD技术和共享式双口RAM，解决了大屏幕LED点阵
显示屏无闪烁显示的技术难题。给出了系统设计方法及实际电路。 关键词：CPLD 双口RAM 扫描 大屏幕LED
点阵 显示屏 LED点阵显示屏是显示公共信息的一种重要显示终端，其中大屏幕LED点阵显示屏在许多场合得以
应用。大屏幕显示所采用的技术比中小屏幕显示难度更大，因为其屏幕大、LED点数多，要求在极短的时间内
刷新每个点，使得其扫描速率必须非常高，所以只有设计合理的控制电路才能达到这个要求。本文着重解决大
屏幕LED点阵显示这一技术难题。通过采用自顶向下的设计思想，综合运用高速CPLD、
摘要：摘要：采用自顶向下的设计思想，综合运用EDA 技术、CPLD技术和共享式双口RAM，解决了大屏幕LED点阵显示屏无闪烁
显示的技术难题。给出了系统设计方法及实际电路。
关键词：关键词：CPLD 双口RAM 扫描 大屏幕LED 点阵 显示屏
LED点阵显示屏是显示公共信息的一种重要显示终端，其中大屏幕LED点阵显示屏在许多场合得以应用。大屏幕显示所采用的
技术比中小屏幕显示难度更大，因为其屏幕大、LED点数多，要求在极短的时间内刷新每个点，使得其扫描速率必须非常高，
所以只有设计合理的控制电路才能达到这个要求。本文着重解决大屏幕LED点阵显示这一技术难题。通过采用自顶向下的设计
思想，综合运用高速CPLD、双口RAM等技术和芯片，设计出了大、小屏幕皆适合的显示控制电路。特别是利用单片机、
CPLD与双口RAM的无缝结合，将复杂的任务分配给不同的硬件处理，满足了对实时性的要求。本系统不仅给大屏幕LED点阵
显示提供了优良的控制电路，而且为CPLD器件和EDA技术提供了切实的应用实例。其中，共享双口RAM的应用，为高速总线
与低速总线的通信提供了一个新的解决方案。
1 硬件设计硬件设计
显示系统由信号处理电路和扫描电路两大块构成，其系统原理框图如图1所示，实际电路框图如图2所示。微处理器MCU采用8
位单片机AT89C51，它通过串口接收来自PC机的待显示数据。由于PC机串行总线标准RS232 的逻辑电平与单片机电路使用
的TTL电平不同，所以PC机与MCU之间的通信数据必须经过RS232 电平转换芯片MAX232进行转换。从PC机接收到的数据存
放在8K字节的电可擦写存储器EEPROM 28C64中，这样可方便地随时修改待显示的信息，并且在掉电情况下不至于丢失数
据。由于系统软件要进行大批量的数据处理，所以扩充了单片机缓存区大小，采用了8K字节的外部静态RAM 6264。
1.1 双口双口RAM的应用的应用
采用双口RAM是本设计的一个主要特色。一般的RAM(如6116)只有一套地址总线、数据总线和控制总线，在同一时间只能执
行同一总线操作。而标准双口RAM有左侧和右侧两套地址总线、数据总线和控制总线，可供两套总线对其进行访问。在本系
统中，单片机通过共享的双口RAM IDT7132与CPLD通信，单片机将数据写入IDT7132中，而CPLD则从IDT7132中读取数据
并通过扫描逻辑电路输出出去。
由于CPLD扫描模块可以达到很高的扫描速率，而单片机的运行速度则相对较低，并且两个模块间需要有大量的数据交换，为
此选择双口RAM芯片IDT7132SA35JS，它的速度等级是35ns，完全满足两个模块实时通信的要求。双口RAM是两个数据模
块间的数据通道，必须是共享的，它在本设计中起到了关键作用。
1.2 基于基于CPLD的独立扫描模块的独立扫描模块
显示部分的点阵模块采用双色LED共阴点阵模块(实际上可显示红、黄、绿三色)。 8 块8×8点阵模块连接成32×32点阵。为易
于控制，将公共接口作为行控制，且行的接地引脚经过一个开关三极管接地(设计中简称行扫描管)，实现对相应列的控制。因
为一个行扫描管同时控制着一行中多个LED的通断，所以它承载较大电流。以每个发光二极管流过的电流为10mA计算，一个
128列的点阵屏中，每个行扫描管所承受的电流是10mA×128=1.28A,为此选用高速中功率达林顿管TIP127，它的集电极吸收
电流最大可达5A，保证了行的驱动能力。由于显示点阵的每一行都需要用一个三极管来控制，所以32×32点阵共需要32个
TIP127。
行扫描电路采用通用数字电路译码输出来控制。在32×32点阵显示时，扫描输出需要大量的I/O端口，而ATMEL公司生产的
CPLD 芯片ATF1508AS15JC84(与ALTERA公司的MAX7128SLC84-15功能及封装等完全兼容)的外部I/O端口不够用，所以采
用两片CPLD，一片专用于行扫描，另一片用于读取双口RAM IDT7132中的数据并进行列扫描。
列扫描电路的功能是在选中某行时送该行对应的列数据，由于采用的是8位微处理器，一次只能送一个字节的数据，即每次只
能扫描8列。本设计中，采用8550三极管矩阵驱动方式，从而节省了大量控制信号引脚资源。
独立扫描模块的功能是以双口RAM 为中介将单片机送来的数据在LED 点阵显示屏上显示出来，其电路原理图如图3所示。单
片机总线将处理好的待显示数据存放在U5(双口RAM IDT7132SA35JS中，然后U6(CPLD芯片ATF1508AS15JC84，用Verilog
HDL语言编写其总线读逻辑)读取存放在U5中的待显示数据并驱动显示屏。整个显示屏为128×32点阵，一次扫描一个字节即8
位，为此全屏显示需要128×32÷8=512字节。将地址线A9R、A10R 接地，这样只允许访问U5中的低512K 字节。 CA0~CA8是
CPLD 输出到U5中的地址总线，CD0~CD7是从U5读出数据的数据总线。 J1是行扫描信号接口，CH0~CH4 为行扫描计数器
输出信号，时钟信号可从CLK 输出给行扫描计数器。 J2为列扫描控制信号V0~V7输出接口。 DR0~DR15为一色的列选通控制
信号输出，由于I/O端口引脚不够，所以另一色的列选通信号采用译码电路译码输出，用J3的四线输出。 CON1为JTAG 接
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