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1、 编号 淮安信息淮安信息职业职业技技术术学院学院 毕毕业业论论文文 题 目基于 FPGA 的 LED 点阵设计 学生姓名王飞 学 号12012117 院 系电子工程系 专 业物联网应用技术 班 级115121 指导教师 许金星 顾问教师杨永 二 一五年六月 摘 要 I 摘摘 要要 主要研究基于 VHDL 的 Led 点阵汉字滚动显示 首先描述了基于现场可 编程门阵 FPGA 的硬件电路 以及点阵显示汉字的原理 然后在单个 16X16 LED 发光二极管点阵上滚动汉字的原理 最后给出了描述其功能的 VHDL 语 言程序设计方法 通过编程 调试 仿真 下载正确地实现了汉字滚动显示扫 描结果 其硬件
2、系统的实验验证也获得了与软件模拟仿真结论相吻合的结果 关键词关键词 LED 点阵 FPGA VHDL 语言 汉字滚动显示 Abstract II A Abstractbstract Primary research is based on FPGA Led Scrolling dot matrix characters First described based on field programmable gate array FPGA hardware circuit as well as the principle character dot matrix display and then
3、 in a single 16X16 LED scrolling LED dot matrix on the principles of Chinese characters Finally the VHDL description language program of its functions design Through programming debugging simulation download the correct character scroll achieved scan results the experimental verification of its hard
4、ware and software are also obtained findings consistent with simulation results Keywords LED dot marix FPGA VHDL language Chinese character scrolling display 目 录 III 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 LED 点阵的发展现状 2 1 2 1 国内外 LED 点阵的发展现状 2 1 2 2 研究 LED 点阵的目的及意义 2 1 3 LED 点阵的发展趋势 3
5、 1 4 论文结构 4 第二章第二章 系统方案设计系统方案设计 5 2 1 设计任务与要求 5 2 1 1 设计任务 5 2 1 2 设计要求 5 2 2 方案设计与比较 5 2 2 1 方案设计 5 2 2 2 方案比较 5 2 3 扫描控制模块 6 2 3 1 LED 的显示原理 6 2 3 2 LED 点阵的显示方式 7 2 4 LED 点阵汉字的存储 7 2 5 本章小结 8 第三章第三章 硬件设计硬件设计 9 3 1 功能要求 9 3 2 硬件说明 9 3 3 硬件设计 9 3 3 1 串行通信模块 9 3 32 LED 点阵屏及驱动电路 10 3 33 LED 时钟芯片 10 3
6、34 FPGA 控制模块 10 3 35 串行通信电路 11 3 4 本章小结 12 第四章第四章 软件设计软件设计 13 4 1 十六进制计数器设计 13 4 2 列驱动设计 14 4 3 字符样式设计 15 4 4 本章小结 18 第五章第五章 基于基于 FPGA 的的 LED 点阵点阵 19 5 1 FPGA 设计的特点 19 目 录 IV 5 2 开发环境介绍 19 5 3 调试与仿真 20 5 3 1 创建工程 20 5 3 2 编译前设置 20 5 3 3 全程编译 23 5 3 4 时序仿真 24 5 4 本章小结 26 第六章第六章 总结与展望总结与展望 27 6 1 总结 2
7、7 6 2 展望 27 致致 谢谢 29 参考文献参考文献 31 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 课题课题背景背景 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 因此研究 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 随着我国经济的高速发展 对公共场合发布信息的需求日益增长 利用 LED 点阵滚动显示汉字的出现正好适应了这一市场需
8、求 已经成为信息传播的一种 重要手段 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 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 FPGA 器件进行系统芯片集成的新设计方 法 也正在快速地到代基于 PCB 板的传统设计方式 因此 本设计的研究是很 有必要的 之所以基于 FPGA 设计是因为现场可编程门阵列 FPGA 设计周期 小 灵活度高 适合用于小批量系统 提高系统的可靠性和
9、集成度 并且采用 编写灵活的 VHDL 语言编写主程序 如图 1 1 所示 图 1 1 LED 点阵的应用 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 1 2 LED 点点阵阵的的发发展展现现状状 1 2 1 国内外国内外 LED 点点阵阵的的发发展展现现状状 LED 照明发展非常迅速 年增长率超过 60 随着 LED 发光效率的不断提 升 封装技术不断改进 驱动陆能和寿命的增加 LED 照明技术在未来 5 年内 会逐渐进入千家万户 在世界各国环保议题日渐重视的趋势下 LED 照明产业 将扮演极重要的角色 其主要应用在于室内 室外照明以及街灯等高功率产品 据悉 2009 年全球照明市场约 1219
10、亿美元 LED 仅占 0 5 显见其未来潜力之 可观 其中 以亚太地区的市场规模为最大 约占全球 33 7 之比例 居次为北 美的 30 1 和欧洲之 27 4 以应用产品来讨论 户外照明约占 12 则具有相 当大的成长空间 尤其以占有全球 38 户外照明的中国市场为最 此外 值得 关注的部分是受政府政策及推广影响较为直接且快速的街灯应用可望成为照明 产业中快速成长的第一棒 预估在欧美优先领起的趋势中 2010 年全球可达到 450 万盏 LED 街灯的水平 并且承于国际加紧节能减碳的脚步 一但路灯标准 规格普及 中国市场可望占有世界 50 以上的规模 LED 驱动器技术的发展体现在两个方面
11、第一 离线式高功率因数校正可 调光 LED 驱动器可替代卤素灯 白炽灯和荧光灯 第二 LED 驱动器能高效替 代低压卤素灯 以上两种应用需要为 LED 提供电能及热能保护 以增加其耐用 性 其他发展趋势还包括优化驱动器以提供最佳功效 并非将电流最大化 基于 FPGA 芯片控制全彩 LED 大屏幕图像显示系统系统设计随着数字技术 的飞速发展 各种数字显示屏也随即涌现出来有 LED LCD DLP 等 各种数 字大屏幕的控制系统多种多样 有用 ARM FPGA 脱机控制系统 也有用 PC DVI 接口解码芯片 FPGA 芯片联机 LED 显示板控制系统 尽管大尺寸液晶 显示在未来的几年还有相当大的
12、市场份额 但针对大尺寸直下式背光源的驱动 和控制芯片的开发才刚刚有几年的历史 针对 LED 背光源的特点 可以将复杂 的控制技术和信号处理技术融合到背光源技术中 目前的做法是采用 FPGA 各 家均有不同的算法和控制方法 随着背光技术和数字电视技术的发展 背光的 控制算法及驱动方法的规范化 为了降低成本 将背光控制单元 屏显控制和 电视的机芯微处理器由一个微处理器统一实现将是一种技术趋势 1 2 2 研究研究 LED 点点阵阵的目的及意的目的及意义义 随着我国经济的高速发展 对公共场合发布信息的需求日益增长 利用 LED 点阵滚动显示汉字的出现正好适应了这一市场需求 已经成为信息传播的一种 重
13、要手段 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 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 第一章 绪论 3 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 FPGA 器件进行系统芯片集成的新设计方法 也正在快速地到代基于 PCB 板的传统设计方式 因此 本设计的研究是很有必 要的 之所以基于 FPGA 设计是因为现场可编程门阵列 FPGA 设计周期小 灵活度高 适合用于小批量系统 提高系统的可靠性和集成度 并且采用编
14、写 灵活的 Verilog HDL 语言编写主程序 1 3 LED 点点阵阵的的发发展展趋势趋势 高亮度 LED 为未来趋势 高亮度 LED 的三大市场为 汽车车灯市场 交 通市场及全彩 LED 显示屏 1 汽车车灯市场方面 红色高亮度 LED 应用于汽车第三煞车灯 而左 右尾灯 方向灯及车边标识灯 可使用红色或黄色高亮度 LED 而汽车仪表板 上则需要各种颜色的高亮度 LED 故汽车市场商机庞大 2 交通号志方面 使用高亮度 LED 主要为节省能源 且在阳光照射下 可仍清楚辨识 依 据资料显示 目前全球约有 2000 万座交通号志 而每一个 红 黄 绿灯估计需要使用 200 颗高亮度 LED
15、 故一座交通号志约需 600 颗 高亮度 LED 如果 考虑每年新设的交通号志加上更换旧交通号志 估计每年 大约有 200 万座 以每座更新成本约 1 5 万台币计算 未来每年全球交通号志 估计约有 300 亿的市场价值 3 全彩 LED 显示屏方面 目前高亮度 LED 已可以产生红 绿 蓝三 原色的光 组成大型全彩 LED 显示屏 目前大型 LED 看板的使用以日本 中 国 香港 韩国 台湾 新加坡等亚洲地区为主 欧洲及美国其次 中国大陆 运用大型户外 LED 看板宣达政令 故有其一定之需求 欧洲方面 常见的应 用是文字显示及 气象预报图像 另也盛行使用 LED 显示屏做为广告招牌 目 前目
16、前高亮度 LED 厂商持续 costdown 市场接受度已逐渐提高 且高亮度 LED 价格高于传 统 LED 厂商投入意愿较大 未来可望逐渐取代传统亮度 LED 市场 目前 基于 FPGA 现场可编程门阵列 的 LED 显示屏的设计应用广泛 美国和中国台湾地区逻辑电路设计和制造厂家大都以 Verilog HDL 为主 中国大 陆地区目前学习使用 Verilog HDL 已经超过 VHDL 从使用的角度看 对于集成 电路 ASIC 设计人员来说 多是掌握 verilog 因为在 IC 设计领域 90 以上 的公司都是采用 verilog 进行 IC 设计 而对于 PLD FPGA 设计者而言 两种语 言没有太大差别 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 1 4 论论文文结结构构 论文主要从方案论证及选择 硬件电路设计 系统软件设计 制作与调试 等几大方面来介绍基于 FPGA 的 LED 显示屏的设计和制作过程 其中方案论证 及选择主要从两种可以实现基于 FPGA 的 LED 显示屏的设计方案中选择一个成 本低 易操作 系统性能较高的方案 其中主要设计包括 系统软件设计 ROM 存储 点阵
