基于FPGA的LED點(diǎn)陣書寫顯示屏的實(shí)現(xiàn)

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證

1.方案比較與論證

在“點(diǎn)亮”功能下，當(dāng)光筆接觸屏上某點(diǎn)LED時(shí)，能即時(shí)點(diǎn)亮該點(diǎn)LED，并在控制器上同步顯示該點(diǎn)LED的行列坐標(biāo)值（左上角定為行列坐標(biāo)原點(diǎn)）。在“劃亮”功能下，當(dāng)光筆在屏上快速劃過時(shí)，能同時(shí)點(diǎn)亮劃過的各點(diǎn)LED，其速度要求2S內(nèi)能劃過并點(diǎn)亮40點(diǎn)LED。在“反顯”功能下，能對屏上顯示的信息實(shí)現(xiàn)反向顯示。在“整屏擦除”功能下，能實(shí)現(xiàn)對屏上所顯示信息的整屏擦除。根據(jù)題目要求我們提出以下方案：方案一，用EDA軟件編程，先對每個(gè)LED所在點(diǎn)進(jìn)行編址，然后通過計(jì)數(shù)器逐次加1，光筆指向點(diǎn)所對應(yīng)的地址感受到光時(shí)，可由顯示器輸出，但是，若進(jìn)行劃亮功能時(shí)，由于地址逐次加1，所以必須按順序劃寫，完成斜線劃亮，點(diǎn)亮等功能較難。方案二，對LED進(jìn)行逐行，逐列掃描，控制模塊內(nèi)部根據(jù)行列計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)記錄LED地址，當(dāng)檢測到輸入信號時(shí)，就停止掃描并將拾取信號的控制脈沖送出而點(diǎn)亮該燈，同時(shí)向顯示模塊輸入地址，此方案便于尋找到LED地址且且易控制點(diǎn)亮?xí)r間而實(shí)現(xiàn)劃亮等功能。

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣書寫顯示屏：可按順序調(diào)整序號，可以使圖文上下平移，而順序調(diào)整列顯示數(shù)據(jù)的位置可以達(dá)到左右平移的目的。同時(shí)調(diào)整行列順序，就能得到對角線平移的效果。其他模式的數(shù)據(jù)處理可用相應(yīng)的計(jì)算方法，不過算法太復(fù)雜，太浪費(fèi)時(shí)間，并且刷新的時(shí)間，要考慮圖形文字顯示效果，刷新的周期不好控制。綜合分析，選擇方案二。

2.總體設(shè)計(jì)

（1）總體思路

采取了VHDL語言程序控制的動態(tài)掃描方式，實(shí)現(xiàn)對LED點(diǎn)陣進(jìn)行逐行逐列的掃描。掃描時(shí)LED微亮，用光筆檢測掃描時(shí)，如在某點(diǎn)拾到LED光信號，即某坐標(biāo)LED被弱掃描到，這時(shí)檢測信號給與行、列鎖存器一個(gè)脈沖信號使得行、列坐標(biāo)被鎖存下來，并通過顯示器顯示出該點(diǎn)的坐標(biāo)，同時(shí)檢光電路輸出一個(gè)高電平送入CD4066模擬開關(guān)控制端，輸出高電壓以增大該點(diǎn)在LED上的電壓，LED由微亮變?yōu)閺?qiáng)亮。同時(shí)采用光敏器件檢測環(huán)境亮度，能自動連續(xù)調(diào)節(jié)顯示器亮度。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

（2）點(diǎn)亮劃亮功能的設(shè)計(jì)思路

在光筆檢測到某點(diǎn)被掃描到的信號后，根據(jù)功能用狀態(tài)機(jī)控制點(diǎn)亮?xí)r間，在本電路中設(shè)計(jì)點(diǎn)亮?xí)r間為3秒鐘，3秒過后又開始動態(tài)掃描直到出現(xiàn)第二個(gè)檢光信號，再鎖存該點(diǎn)行列地址并顯示，以后循環(huán)以上狀態(tài)。如果要實(shí)現(xiàn)劃亮功能，可以減少點(diǎn)亮?xí)r間，使得點(diǎn)亮?xí)r間在0.01秒左右這時(shí)人的眼睛看到的是光筆移動過的LED連續(xù)點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)亮功能。

（3）反顯及連寫功能的設(shè)計(jì)思路

反顯可以在強(qiáng)光快速掃描時(shí)，人眼看到的是這個(gè)點(diǎn)整點(diǎn)亮，此時(shí)如果用光筆檢測某個(gè)燈閃過的信號，便進(jìn)入劃亮的模式，只不過檢光電路向外界輸出的是高電平，使得模擬開關(guān)CD4066關(guān)閉，輸出低電壓使得LED的亮度減弱。連寫模式下加入RAM存儲器，并快速掃描，每檢測到一個(gè)信號便將這個(gè)信號的地址存入RAM，并在掃描15秒后按剛才鎖存的地址逐個(gè)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮功能并加快掃描脈沖，便看到剛才光筆劃過的字型，其后有進(jìn)入15秒的掃描書寫，這樣可實(shí)現(xiàn)連寫功能。

二、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.電源部分的實(shí)現(xiàn)

原理介紹：

在電源的實(shí)現(xiàn)中應(yīng)用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器（CW317），該電路為輸出電壓1.2～37V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流為1.5A，它的最小輸出電流它的最小輸出電流由于集成塊電路的參數(shù)限制，不得小于5mA。CW317的輸出端與調(diào)整端之間電壓Uref固定在1.2V，調(diào)整端（ADJ）的電流很小且十分穩(wěn)定（50uA），因此輸出的電壓U0=1.2(1+R2/R1)

2.光電電路的實(shí)現(xiàn)

圖1 整體設(shè)計(jì)框

（1）電路圖（如圖2）

圖2 光電電路原理

（2）原理說明

光電電路工作原理：光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種阻值隨入射光的強(qiáng)弱的變化而變化的電阻，入射光強(qiáng)，電阻小，入射光弱，電阻增大，在其兩端產(chǎn)生一定電壓，在通過C4066，提高了靈敏度，很快產(chǎn)生一系列高低電平，在通過100K電位器的濾波整形之后便產(chǎn)生一規(guī)則的脈沖信號，在經(jīng)過運(yùn)算放大電路放大整形并利用反相器整形以后的脈沖信號做為已經(jīng)檢測到信號的標(biāo)志信號確定行列地址。

（3）點(diǎn)陣顯示屏的驅(qū)動原理

用計(jì)數(shù)器記錄行和列掃過的時(shí)間，將掃描數(shù)據(jù)通過鎖存器傳遞到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)接口，再經(jīng)過五位譯碼器將其地址譯碼成32行數(shù)據(jù)和32列數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA中的掃描信號輸出到譯碼器，譯碼器的輸出控制三極管的開關(guān)來驅(qū)動某行和列上的某點(diǎn)LED燈點(diǎn)亮。

三、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

編程主體是編制模塊電路并生成元件，最終將模塊按整體框圖連接起來，用原理圖的形式直觀的顯示出來，進(jìn)行了軟件調(diào)試后下載到控制器，再連硬件電路進(jìn)行調(diào)試。

1.整體軟件設(shè)計(jì)框（見圖3）

圖3 軟件設(shè)計(jì)框

2.顯示模塊說明（見圖4）

圖4 顯示模塊原理

當(dāng)FPGA送出5位行地址和5位列地址后通過解碼轉(zhuǎn)換為2位的8421BCD碼，再采用顯示譯碼器，輸出到數(shù)碼管。

四、結(jié)果分析并仿真

1.顯示屏亮度自動調(diào)節(jié)分析

在一個(gè)放大電路中加入光敏電阻，使其處于臨界飽和狀態(tài)，由于光照的變化可以自動調(diào)節(jié)該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，能夠產(chǎn)生一個(gè)隨外界環(huán)境變化的信號來控制LED的亮度。

2.點(diǎn)陣顯示屏驅(qū)動分析

這里使用的是康芯公司的競賽板，其是六腳能產(chǎn)生一個(gè)20GHZ的脈沖信號，由于信號頻率過高，必須分頻，分頻后信號接近于50KHZ左右，該信號就是整個(gè)電路的時(shí)基頻率FC，因而掃描整屏的頻率是FC/1024HZ，即使50HZ左右，對于人眼來說看到的還是這個(gè)LED點(diǎn)陣點(diǎn)亮。要使2秒內(nèi)顯示40個(gè)字，在頻率至少是20HZ，而我們的掃頻頻率是50HZ左右，完全可以滿足的。

3.顯示電路仿真（見圖5）

圖5 顯示電路仿真

[1]潘松.EDA技術(shù)實(shí)用教程[CP].科學(xué)出版社.

[2]譚會生.EDA技術(shù)及應(yīng)用(第二版)[CP].西安電子科技大學(xué)出版社.

[3]雷伏容.EDA技術(shù)與VHDL程序開發(fā)基礎(chǔ)教程[CP].清華大學(xué)出版社.

[4]杭州康芯電子有限公司的KX_DVP3D型電子設(shè)計(jì)競賽應(yīng)用板資料.