基于CPLD的LED點(diǎn)陣顯示控制器設(shè)計(jì)

　　場(chǎng)可編程器件(FPGA和CPLD)等ISP器件無(wú)須編程器，利用器件廠商提供的編程套件，采用自頂而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，使用原理圖或硬件描述語(yǔ)言(VHDL)等方法來(lái)描述電路邏輯關(guān)系，可直接對(duì)安裝在目標(biāo)板上的器件編程。它易學(xué)、易用、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)規(guī)模，縮短設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本，從而給電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)了革命性的變化。

　　1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　LED點(diǎn)陣顯示控制的傳統(tǒng)方式是采用單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)作為CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)顯示的信息比較多時(shí)，由于單片機(jī)的輸入/輸出端口(I/O)有限，采用此方式的成本將大大增加，系統(tǒng)和程序的設(shè)計(jì)難度也急劇增加;而且，當(dāng)系統(tǒng)完成后修改、改變顯示方式或擴(kuò)展時(shí)，所需改動(dòng)的地方比較大，甚至有可能需要重新設(shè)計(jì);另外，在以顯示為主的系統(tǒng)中，單片機(jī)的運(yùn)算和控制等主要功能的利用率很低，單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)得不到發(fā)揮，相當(dāng)于很大得資源浪費(fèi)。如果采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件作為CPU來(lái)設(shè)計(jì)控制器，選擇合適的器件，利用器件

　　豐富的I/O口、內(nèi)部邏輯和連線資源，采用自頂而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，可以方便地設(shè)計(jì)整個(gè)顯示系統(tǒng)。

　　由于PLD器件的外圍器件很少，且可以利用PLD的編程端口(可復(fù)用)進(jìn)行在系統(tǒng)編程，使得系統(tǒng)的修改、顯示方式的改變和擴(kuò)展都變的非常簡(jiǎn)單、方便。

　　本系統(tǒng)采用單個(gè)16×16LED點(diǎn)陣逐列左移(或右移)顯示漢字或字符，需顯示漢字或符號(hào)的16×16點(diǎn)陣字模已經(jīng)存放在字模存儲(chǔ)器中。顯示控制器由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)EPM7128SLC84-15來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)原理是PLD控制模塊首先產(chǎn)生點(diǎn)陣字模地址，并從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)存放在16位寄存器中，然后輸出到LED點(diǎn)陣的列，同時(shí)對(duì)點(diǎn)陣列循環(huán)掃描以動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)需要顯示數(shù)據(jù)字模的列和被選中的列能夠協(xié)調(diào)配合起來(lái)，就可以正確顯示漢字或符號(hào)。

　　圖1 點(diǎn)陣顯示控制器原理框圖

　　2、控制器設(shè)計(jì)及工作原理

　　從框圖中可以看出，系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制器的設(shè)計(jì)。LED點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)地址的產(chǎn)生、點(diǎn)陣列掃描和需顯示數(shù)據(jù)的配合以及點(diǎn)陣顯示方式控制的實(shí)現(xiàn)都必須由控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)單個(gè)16×16LED點(diǎn)陣顯示控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的頂層邏輯原理圖如圖2所示。

　　圖2 控制器頂層電路原理圖

　　原理圖中包含5個(gè)模塊，其中sequ模塊產(chǎn)生讀信號(hào)RDN和10位地址線(AD[9..0])中的最低位地址AD0，AD0和其它模塊產(chǎn)生的地址配合，通過8位數(shù)據(jù)線(DATA[7..0])從存儲(chǔ)器讀出列高字節(jié)(AD0=1時(shí))和低字節(jié)(AD0=0時(shí))，由于16×16點(diǎn)陣字模數(shù)據(jù)為32個(gè)字節(jié)，每列含兩個(gè)字節(jié)即16位，它由HOUT[7..0]和LOUT[7..0] 來(lái)構(gòu)成;模塊add16由adclk提供一個(gè)慢時(shí)鐘構(gòu)成16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的輸出送給addr16模塊，為變模計(jì)數(shù)器addr16提供一個(gè)模，通過模的規(guī)律變化以控制點(diǎn)陣按照左移或右移等顯示方式進(jìn)行顯示;模塊decode4_16是一個(gè)4—16譯碼器，其輸出ROUT[15..0]連接到LED點(diǎn)陣的列，可選中16×16LED點(diǎn)陣的某列，并顯示sequ模塊輸出的點(diǎn)陣高低字節(jié)(字模)數(shù)據(jù);模塊addr16為點(diǎn)陣顯示控制的核心，為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣漢字從右到左逐列移動(dòng)顯示，它由add16模塊提供的模，在addr16內(nèi)部構(gòu)成兩個(gè)變模計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生讀字模數(shù)據(jù)的地址AD[4..1]，另外一個(gè)產(chǎn)生16×16LED點(diǎn)陣列掃描選擇地址SUABAD[3..0]，列掃描選擇地址由decode4_16譯碼后輸出;模塊addr1為字選擇計(jì)數(shù)器，其輸出可以控制多塊LED顯示器的顯示及其顯示方式。

　　控制核心模塊addr16采用AHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，在開發(fā)軟件MAX+plus Ⅱ10.2中實(shí)現(xiàn)，程序如下所示。

　　SUBDESIGN addr16

　　(

　　ckdsp,reset,in[3..0]:INPUT;

　　ad[4..1],subad[3..0]:OUTPUT;

　　)

　　VARIABLE

　　reg1[3..0]: DFF;

　　reg2[3..0]: DFF;

　　reg3[3..0]: DFF;

　　BEGIN

　　reg1[].clk=ckdsp;

　　reg1[].clrn=reset;

　　reg2[].clk=ckdsp;

　　reg2[].clrn=reset;

　　reg3[].clk=!ckdsp;

　　reg3[].clrn=reset;

　　reg2[].d=15-in[];

　　if reg1[].q>=in[] then

　　reg1[].d=0;

　　else

　　reg1[].d=reg1[].q+1;

　　end if;

　　ad[]=reg1[];

　　reg3[].d=reg1[].q+reg2[].q;

　　subad[]=reg3[].q;

　　END;

　　為了實(shí)現(xiàn)字符由右到左逐列移動(dòng)顯示，模塊addr16內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩個(gè)由add16控制的變模加法計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)輸出為ad[4..1](4位地址線)，另一個(gè)輸出為subad[3..0](列掃描控制線)。

　　從程序可以看出，當(dāng)模輸入in[3..0]=0時(shí)，ad[4..1]=0，而subad[3..0]=15，此時(shí)ad[9..5]亦等于零，AD0 在0和1間變化，即讀出第一個(gè)字符的第一列并顯示在LED的第16列;當(dāng)模輸入in[3..0]=1時(shí)，在記數(shù)脈沖AD0的作用下，ad[4..1]和 subad[3..0]都為二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，但ad[4..1]由0加到1返回到0，同時(shí)subad[3..0]由14加到15返回到14，此時(shí) ad[9..5]仍然等于零，AD0在0和1間變化，即讀出第一個(gè)字符的第一、二列并顯示在LED的第15、16列…由此類推，可見當(dāng)模塊add16的加法記數(shù)輸出由0變到15時(shí)，LED點(diǎn)陣字符將由左到右逐列移動(dòng)顯示。

　　以上程序在MAX+plusⅡ10.2上仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。由仿真結(jié)果可以看到，由計(jì)數(shù)?？刂戚斎雐n[3..0]控制的兩個(gè)變模計(jì)數(shù)器輸出ad[4..1]和subad[3..0]的結(jié)果正確無(wú)誤。

　　圖3 addr16模塊仿真時(shí)序圖

　　在設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意模塊sequ的記數(shù)時(shí)鐘CLK頻率的選擇應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模塊add16的記數(shù)時(shí)鐘adclk的頻率，addr16的記數(shù)時(shí)鐘為地址最低位AD0，字選擇計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖為16進(jìn)制模塊add16的最高位OUT3。這樣，ad[4..1]和subad[3..0]同步變化的足夠快，在點(diǎn)陣 LED上可以看到完整的字符，并當(dāng)add16記數(shù)到15產(chǎn)生進(jìn)位返回到0時(shí)，字選擇模塊addr1獲得一個(gè)記數(shù)脈沖并加1(上升沿觸發(fā))，此后將顯示下一個(gè)字符。

　　3、系統(tǒng)擴(kuò)展

　　以上為顯示單個(gè)字符系統(tǒng)，若要同時(shí)顯示多個(gè)字符時(shí)，可以按照?qǐng)D1加入虛線框內(nèi)部分，并且模塊addr1設(shè)計(jì)成addr16的格式，把AD4作為 addr1的記數(shù)脈沖即可。按照EPM7128SLC84—15的資源(64個(gè)I/O口，2個(gè)全局時(shí)鐘，1個(gè)全局復(fù)位和5個(gè)可復(fù)用專用端口，5000個(gè)等效邏輯門，192個(gè)內(nèi)部寄存器)，若不外部擴(kuò)展譯碼器，可以有效控制約16個(gè)字符的顯示;而采用外部譯碼器時(shí)，可以控制的字符數(shù)將大大增加，但須注意時(shí)鐘 CLK的頻率需要提高，以視覺不能看到整個(gè)字符的閃爍為基準(zhǔn)。

　　4、結(jié)論

　　以上點(diǎn)陣字符顯示系統(tǒng)在開發(fā)軟件MAX+plusⅡ10.2上經(jīng)仿真驗(yàn)證無(wú)誤，并且已經(jīng)成功地應(yīng)用在煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的大屏幕顯示中。另外，由于器件含有豐富的可編程連線資源，當(dāng)系統(tǒng)顯示方式和顯示字符個(gè)數(shù)變化時(shí)，只需要通過開發(fā)工具修改控制器的控制邏輯和連接關(guān)系，再將修改完成的程序通過下載電纜下載到器件即可，而電路板可以不做任何改動(dòng)，可見，系統(tǒng)的維護(hù)和修改是極其方便和容易的。當(dāng)然，由于CLPD的驅(qū)動(dòng)能力有限，當(dāng)點(diǎn)陣LED顯示亮度不夠時(shí)，需要添加LED驅(qū)動(dòng)電路以得到合適的LED顯示亮度。