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基于FPGA的LED显示接口电路设计.doc
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基于FPGA的LED显示接口电路设计.doc
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·
I
基于 FPGA 的 LED 显示接口电路设计
摘 要
LED 显示器广泛应用于交通、证券、电信、广告和宣传领域,它具有寿命长、功
耗低、亮度高、驱动简单、响应速度快,且可随意拼装等优点。现在市场上诸多广告牌
LED 视频屏造价过于昂贵,刷新频率较低,单色屏的显示功能又过于单一,大多需要
上位机对显示过程进行实时控制,并且对于大屏幕的系统性能有待提高。针对以上问题
本文讨论了利用 FPGA 与单片机相结合的方法控制实现多路点阵列显示的技术,以
FPGA 芯片为核心,其基于 FPGA 的双口 RAM 配置和驱动控制电路设计成功地解决了
传统 LED 大屏幕设计中控制系统复杂、可靠性差的问题。文中给出了系统的软、硬件
实现,介绍了其设计思想、层次结构,在 QUARTUSⅡ平台下,利用编程和图形文件结
合的方法实现了软件设计,经波形仿真验证后,得到了 RTL 电路连接。实践证明,该系
统工作正常,达到了预期的功能。
关键词:LED 点阵列,FPGA 控制器,VHDL,双口 RAM
II
The Realization of LED Display Interface Circuit Based on FPGA
ABSTRACT
LED display has many advantage,such as long lifetime,low power consuming,high
brightness,can be easily driving,quick in respondence speed, and can be easily assembled and
so on .But nowadays,LED display device in market is very expensive,a bit lower in
refurbishing frequency and display function of one-coloured screen is too unitary .most need
the superior machine to carry on the real-time control to the demonstration process. large
screen's system performance are still need to enhance.Discussed the method control which in
view of current situation this article unified using FPGA and the monolithic integrated circuit
to realize the multi-channel spot array demonstration technology, taking the FPGA chip as
the core. pair of mouth RAM and Circuit design of scanning controller which are based on
FPGA solves the control system to be complex and bad reliable problem in the traditional
LED large screen successfully. In the article,it gaves the realization of system's software and
hardware. The text introduces its design idea, the layer structure. Under the QUARTUSII,
using the text editor and picture file to combine and care out the software design. After
verification of wage fore imitate, hardware electric circuit is realized. In practice, This system
works normally, The display characters show accurate and stable.
KEY WORDS: LED array,FPGA controlle,VHDL,double mouth RAM
目 录
·
III
摘 要................................................................II
ABSTRACT ............................................................III
1 绪论................................................................1
1.1 FPGA 的概述 ...................................................1
1.1.1 FPGA 的发展 .............................................1
1.1.2 FPGA 的应用 .............................................2
1.2 FPGA 的设计流程 ...............................................3
1.3 FPGA 的设计优势 ...............................................4
1.4 面向 FPGA 的 EDA 开发流程 .......................................5
2 LED.................................................................7
2.1 LED 显示屏的发展 ..............................................7
2.1.1 LED 显示屏的国内发展现状 ................................8
2.1.2LED 显示屏的发展趋势 .....................................9
2.2 LED 显示屏的结构及其示意图 ...................................10
2.3 LED 显示屏的种类及特性 .......................................10
3 LED 电路显示原理 ...................................................12
3.1 LED 点阵显示结构 .............................................12
3.2 LED 点阵显示模块的显示原理 ...................................13
3.3 LED 点阵屏的显示原理 .........................................14
3.4 显示系统扫描程序软件设计.....................................15
4 方案选择 ...........................................................16
4.1 总体方案 .....................................................16
4.2 外围电路连接.................................................18
4.3 模块设计 .....................................................20
4.3.1 双口 RAM 存储单元配置 ...................................20
4.3.2 FPGA 的驱动电路设计 ....................................24
4.3.3 FPGA 的分频器设计 ......................................25
4.4 刷新频率的计算 ...............................................25
4.5 项目仿真 .....................................................26
致 谢................................................................28
参 考 文 献 ..........................................................29
附录Ⅰ...............................................................30
附录Ⅱ...............................................................36
附录Ⅲ...............................................................39
附录Ⅳ...............................................................41
基于 FPGA 的 LED 显示接口电路的设计
1
1 绪论
1.1 FPGA 的概述
FPGA 器件(Filed Programmable Gate Array)是八十年代中期出现的一种新概念。用
户现场可编程门阵列集成电路是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的最新一代系统设
计积木块。由于半导体技术的飞跃发展,数字系统应用基本经历了分立元件、小规模集
成电路(SSI),中规模集成电路(MSI)和大规模集成电路(LSI)乃至超大规模集成电路
(VLSI)的应用过程。数字系统应用的基本特征仍由中小规模集成度的标准向用户定制的
专用集成电路(ASIC)过渡,特别对于现代较复杂的数字系统。若采用 SSI/MSI 器件来
设计某个特定的应用,不仅要占用很大的物理空间,而且功耗较大,可靠性差;而采用
LSI/VLSI 器件的专用电路设计,则具有相当高的系统集成度和相对小的功耗,但其开
发周期长、开发费用高,具有较大的投资风险性,且有时仍需 SSI/MSI 器件来设计实现
相应的接口逻辑。80 年代出现的可编程逻辑器件 PLD 在一定的程度上为数字系统设计
工程师的快捷、灵活设计提供了可能性、PLD 器件的应用,使一系列功能强,速度高,
灵活性大的积木式系统设计得以成功。但是随着现代数字系统设计的发展,PLD 器件
[1]
无论在集成容量、功耗、速度乃至逻辑设计的灵活性上,均不能满足现代数字系统的大
容量,高速度,现场灵活编程设计的要求。FPGA 器件的产生正是由此而来、其作为一
种新型的用户现场可编程的专用集成电路,显示了诱人的应用前景。有人预言,九十年
代的许多电子系统将以 CPU 十 RAM 十 FPGA 的构成为特征:反映了现代数字系统设
计的一种趋势。
1.1.1 FPGA 的发展
FPGA(现场可编程门阵列)是可编程逻辑器件如图 1-1
[2]
,它是在 PAL,GAL 等
逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的 PAL、GAL 等相比较,FPGA 的规模比较
大,它可以替代几十甚至几千块通用 IC 芯片,这样的 FPGA 实际上就是一个子系统部
件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年
的发展,许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是 Altera 公司和
Xilina 公司的 FPGA 器件系列,它们开发较早,占用了较大的 PLD 市场。
作为半导体工业成长最快的一个领域,FPGA 市场正在增长,并呈现一定的不稳定
特性,参与 FPGA 技术和器件研发的公司联盟也在不断地发生变化,新技术和器件不断
涌现,新的公司也不断地参与到这个行业,很难说当这个行业达到一个稳定的状态时哪
一个产品是最有意义的,这里的讨论仅限于正被广泛使用的产品,在讨论每一个具体的
产品器件时,将给出每一个器件的规模,这些器件的规模是由器件厂商给的,以逻辑等
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