用VHDL设计LED+汉字滚动显示器(毕业设计论文附程序).doc

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本科毕业设计（论文）

题目

用VHDL设计

LED汉字滚动显示器

学生姓名

任雪宾

学　号

04066230

教学院系

电子信息工程学院

专业年级

通信工程2004级

指导教师

王章瑞

职　称

副教授

单　　位

电子信息工程学院

辅导教师

职称

单　　位

完成日期

2008

年

6

月

日

SouthwestPetroleumUniversity

GraduationThesis

DesignaLEDChineseCharacterRolling

DisplaywithVHDL

Grade:

2004

Name:

RenXuebin

Specialty:

TelecommunicationsEngineering

Instructor:

WangZhangrui

SchoolofElectronicandInformationEngineering

2008-6

摘要

本文对基于FPGA控制的LED汉字滚动显示器的设计方法进行了探讨。

提出了两个实现方案。

并对其中一个方案作了详细说明。

文中首先介绍了LED发光二极管点阵的控制原理；然后研究了在LED发光二极管点阵上滚动显示汉字的方法；最后，用VHDL语言程序设计了一个完整的LED汉字滚动显示器。

本系统由扫描控制模块、只读存储器ROM和FPGA外面的LED点阵显示模块、一个反相器和两个4-16译码器构成。

其中：

扫描控制模块和只读存储器ROM集成在FPGA芯片内部。

两个4-16译码器（74LS154）和一个反相器配合FPGA中的列扫描控制模块共同完成了两块16×16点阵显示模块的32列的扫描控制。

FPGA定义的只读存储器ROM中保存了要显示的汉字的数据，并以16位的数据宽度输出到LED阵显示模块的行端，配合列扫描控制共同完成汉字的滚动显示。

本系统利用数字系统设计自动化（EDA）技术实现了全硬件方式的LED点阵显示。

利用FPGA内部的物理资源，将只读存储器ROM和主要功能模块设计在FPGA内部。

充分显示了EDA技术设计的灵活性，同时也大大提高了系统的集成度和稳定性。

关键词：

FPGA；LED；EDA；动态扫描

Abstract

ThisarticlediscussesthedesigningmethodofFPGAcontrolledLEDChinesecharacterrollingdisplay.Thisarticlealsoproposestwofeasibleplansandgivesadetailedexplanationtooneoftheplans.ThearticlefirstlyintroducestheLEDcontrolprinciple.ThenthearticlestudiesrolledthedemonstrationChinesecharactermethodontheLEDlightemitterdiodelattice.Finally,IdesignacompleteLEDChinesecharacterrollingdisplaywithVHDLlanguageprogram.

Thissystemiscomposedofascanningcontrolmodule,aROM,anLEDplotarraymodule,aninverterandtwodecoders,withthescanningcontrolmoduleandtheROMinstalledinsidetheFPGAchip.Thetwodecodersandtheinverterworkwiththeout-scanningcontrolmoduleintheFPGAtoexercise32-arrayscanningcontrolofthetwo16×16dot-matrixdisplaymodule.TheFPGA-definedROMpreservesthedataoftheChinesecharactersthatwillbedisplayed,anditsendsthedata,bywayofa16-bitdatawidth,totheendoftheLEDplotarraymodule.Withthearray-scanningcontroller,theChinesecharactersachievetheirrollingdisplay.

ThissystemhasrealizedtheentirehardwarewayLEDlatticedemonstrationusingthenumbersystemdesignautomation（EDA）technology.UsingFPGAinternalphysicsresources,non-erasablestorageROMandmajorfunctionmoduledesigninFPGA.IthaddemonstratedfullytheEDAtechnicaldesign'sflexibility,simultaneouslyalsogreatlyenhancedsystem'sintegrationrateandthestability.

Keywords:

FPGA;LED;EDA;Dynamicscanning

目录

1绪论 1

1.1本设计的研究背景和研究目的 1

1.2研究内容及方法 2

1.3设计的主要工作 2

2设计方案 3

2.1方案一 3

2.2方案二 3

2.3方案比较 4

3扫描控制模块 5

3.1LED点阵原理 5

3.2汉字的存储 6

3.3汉字的显示 7

3.4滚动速度的控制 9

3.5存储模块 10

3.5.1使用参数化组件LPM_ROM来实现 10

3.5.2用FPGA内部的逻辑单元设计一个ROM 12

4分频电路 13

4.1解决毛刺 13

4.1.1改变输入信号消除毛刺 13

4.1.2通过D触发器消除毛刺 14

4.2关键部分VHDL程序 14

5按键扫描电路 16

5.1直接式/矩阵式按键 16

5.2键盘消抖电路 18

5.2.1比较法消键抖动 18

5.2.2积分法消键抖动 18

6FPGA的顶层设计 19

6.1层次化设计的概念 19

6.1.1模块化 19

6.1.2元件重用 19

6.2生成组件符号 20

6.3调用组件符号 20

6.3.1建立项目 20

6.3.2定义输入/输出端口与联线 21

7结论 23

7.1总结 23

7.2建议 23

谢辞 24

参考文献 25

附录：

系统各个模块的VHDL程序 26

I

用VHDL设计LED汉字滚动显示器

1绪论

1.1本设计的研究背景和研究目的

受到体育场馆用LED显示屏需求快速增长的带动，近年来，中国LED显示屏应用逐步增多。

目前，LED已经广泛应用在银行、火车站、广告、体育场馆之中。

而随着奥运会、世博会的临近，LED显示屏将广泛的应用在体育场馆以及道路交通指示中，LED显示屏在体育广场中的应用将出现快速增长。

2007年，中国LED显示屏市场需求额为49.5亿元，比2006年增长22.2%，这其中全彩显示屏需求额达到21.1亿元，占整体市场的42.6%，双色显示屏的需求额位于第二位，需求额为18.3亿元，占整体市场的40%，单色显示屏需求额为10.1亿元。

图1.12006-2010年中国LED显示屏市场规模

2008年奥运会的召开将会直接推动体育场用屏幕数量的快速增加，同时，由于奥运会用屏对LED显示屏的质量要求也较高，因此，高端屏幕的使用比例也将会增加，数量和质量的提高带动LED显示屏市场的增长。

除了体育场馆之外，奥运会和世博会等重大活动召开的另一直接推动领域就是广告领域国内外的广告公司必然会看好奥运会和世博会带来的商机，因此必然会增加广告用屏的数量来提高自身收入，从而促进了广告用屏市场的发展。

奥运会和世博会等重大活动的召开必然会伴随着很多大型活动，政府、新闻媒体和各种组织都可能会在奥运会和世博会之间举办各种相关活动，某些活动可能需要大屏LED，这些需求直接带动显示屏市场。

目前，国内从事LED显示屏生产的企业众多，同时，受到外资企业LED显示屏价格过高的影响，在中国LED显示屏市场上多以本土企业为主。

目前，本土LED显示屏生产企业除供应国内需求外，还不断把产品出口到国外市场。

而近年来，受到成本压力的影响，国际上一些知名的LED显示屏企业也逐步把生产基地移到了中国，如巴可在北京设立了显示屏生产基地，Lighthouse在惠州也拥有生产基地，Daktronics、莱茵堡都在国内设立了生产工厂。

随着国际LED显示屏生产大厂不断把生产基地转移至国内，加之国内众多的LED显示屏本土企业，中国正在成为全球LED显示屏的主要生产基地。

因此研究研究LED汉字滚动显示屏的设计方法具有重要的理论和现实意义。

1.2研究内容及方法

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、存储器和制约逻辑电路来进行PCB（印制电路板）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。

随着电子设计自动化（EDA）技术的进展，基于可编程ASIC器件的数字电子系统设计的完整方案越来越受到人们的重视，并且以EDA技术为核心、的能在可编程ASIC器件上进行系统芯片集成的新设计方法，也正在快速地取代基于PCB板的传统设计方式。

如何使用EDA工具设计电子系统是人们普遍关心的问题。

在EDA工具软件QuartusII的支持下，本设计通过了编译、适配和软件仿真验证。

最后载入硬件系统证明了它的正确性。

1.3设计的主要工作

本设计需要利用EDA工具软件QuartusII编写并调试系统的VHDL程序。

并且每一个模块都在这个软件下进行了仿真。

系统的VHDL程序编好过后先在实验室的EDA实验箱上下载调试，成功过后再根据电路焊接相应的电路板。

最好将程序下载到制好的电路上验证。

2设计方案

2.1方案一

本文系统的LED点阵模块，共由16×32=512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32路动态分时扫描技术来实现的。

具体方法是，将8个8×8数组的显示模块组合成两个16行16列的扫描结构并将其串联（如图2.1所示）。

其行输入端与FPGA内的只读存储器ROM的16位数据输出端口相连；32个列控制端与两个4-16译码器A、B的输出相连；而译码器A、B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2.1为方案的结构框图。

图2.1系统的结构框图