基于VHDL語言的8×8點陣模塊控制器設計

楊斌 李亞峻 喬廣欣 李松 李毅

摘要：介紹了LED點陣顯示模塊的硬件連接、MAX7219的初始化與工作時序，用VHDL語言編程實現了時鐘分頻、數據的存儲與調用、MAX7219控制器的設計。將Basys2開發板與點陣模塊相連，將程序下載到FPGA上，實現了8×8點陣的顯示，驗證了設計的正確性，該設計具有實際應用價值。

關鍵詞：現場可編程門陣列；VHDL語言；MAX7219芯片；點陣顯示

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0006-03

LED點陣顯示系統不僅能夠靜態顯示字符和圖像，而且能夠動態顯示文字、動畫、視頻等信息，在廣告、信息發布、體育比賽、工業等各個領域都有廣泛應用。

LED點陣顯示控制器的種類不少，包括單片機[1]、ARM[2， 3]、FPGA[4]，等等。本文采用DIGILENT公司的Basys2便攜式開發板，它是完整的即用型硬件系統，適于從基本邏輯器件到復雜控制器的電路設計，其上嵌有Xilinx Spartan-3E系列FPGA器件[5]。

8×8點陣有16個引腳，如果直接與微處理器相連占用引腳資源太多，實際多用譯碼器、串并轉換芯片控制點陣。本文采用的8×8點陣模塊由一片MAX7219驅動。

1 基于MAX7219的8×8點陣模塊

1.1 8×8點陣模塊的硬件連接

圖1所示為MAX7219芯片的主要引腳。它只有三個輸入端DIN、CS、CLK，可以與所有通用的微處理器相連，所以由MAX7219驅動的8×8點陣模塊克服了點陣引腳過多的問題。

MAX7219芯片的輸出端DIG0～DIG7連到8×8點陣H1～H8行，SEG DP、SEG A～G連到8×8點陣L1～L8列，DOUT作為串行輸出可用于級聯擴展。MAX7219中含有BCD編碼器（本文未用到）、多路掃描回路（對DIG0～DIG7以不低于800Hz的頻率自動輪詢掃描）、段驅動器（驅動SEG DP、SEG A～G8段）和8×8 SRAM靜態隨機存儲器（用于存儲數據）。

1.2 MAX7219的初始化與數據的存取

在DIN端輸入串行的16位數據，數據中包含如表1所示的信息。

MAX7219芯片的寄存器分為控制寄存器和數據寄存器兩種。

控制寄存器有五個，分別是譯碼模式、亮度、掃描限、掉電和顯示檢測，寄存器地址依次為9、A、B、C、F，每個寄存器初始化的所有可能設置詳見MAX7219說明文檔[6]。本設計的初始化設定值如下：0900，譯碼模式設為不譯碼，數據存儲器中的8位數據直接輸出給8×8點陣的8列；0A08，設為中等亮度；0B07，掃描限設為8個，對8×8點陣的8行輪詢掃描；0C01，設為正常工作模式，不掉電；0F00，設為正常工作模式，關顯示檢測。

數據寄存器由片上的8×8 SRAM 實現。寄存器地址從1到8，對應于MAX7219芯片的DIG0～DIG7引腳、對應于8×8點陣的H1～H8行。SRAM的數據寬度為8，其中存儲的數據值對應于MAX7219芯片的SEG DP、SEG A～SEG G引腳、對應于8×8點陣的L1～L8列。地址nH中存儲的數據值就是8×8點陣第n行待顯示的信息。

在VHDL程序設計中，將MAX7219的初始化設定值與8×8點陣中待顯示的信息存儲在ROM IP核（romip模塊）中，數據的存儲格式如下：

memory_initialization_radix=16；

memory_initialization_vector=

0900， 0A08， 0B07， 0C01， 0F00，

0146， 02C9， 0349， 0446， 0549， 0649， 07E6， 0800；

圖2所示的ctrl_addr模塊用于產生romip模塊所需的地址addr，使addr自加1（如圖3所示），按照地址依次從romip模塊中取出這13個16位并行數據dout，輸入到MAX7219控制器模塊。

2 MAX7219控制器設計

2.1 MAX7219的工作時序

如圖4所示，當數據鎖存信號CS為低電平時，從DIN串行輸入的數據D15～D0在每個時鐘CLK上升沿依次被移入內部的16 位移位寄存器。連續輸入16位數據后，在CS上升沿，根據這16位數據的D11～D8位地址將其D7～D0位的值鎖存到相應的控制寄存器或數據寄存器中。

2.2 MAX7219控制器的VHDL程序設計

為了使MAX7219正常工作，需要按照圖4所示的工作時序用VHDL語言編寫MAX7219的控制程序ctrl_dot.vhd，圖5為其輸入輸出端口信息。

ctrl_dot模塊實現的是在輸入時鐘clk的每個上升沿，將16位并行數據data（15：0）轉換為串行數據輸出給din，同時產生MAX7219芯片所需的數據鎖存信號load_cs和時鐘信號clk_max7219，分別與8×8點陣模塊的DIN、CS、CLK端相連，控制8×8點陣模塊顯示。用if語句編程實現的主要程序段及解讀如下。

if rising_edge（clk） then

if （loadcs_tmp='1'） then -- ①

clk_max7219<='0'；

if （data/=data_cmp） then

data_cmp <= data； --用于判斷數據是否更新

data_tmp <= data； --裝載新數據

loadcs_tmp<='0'； shift_f<='1'；

end if；

else

if shift_f='1' then -- ②允許移位

din<=data_tmp（15）； --高位輸出給din

data_tmp（15 downto 1）<=data_tmp（14 downto 0）； --低15位左移一位

clk_max7219<='0'； shift_f<='0'；

else --③

clk_max7219<='1'； --產生時鐘clk_max7219的上升沿

if cnt

cnt：=cnt+1； shift_f<='1'；

else --16位移完

cnt：=X"0"； shift_f<='0'；

loadcs_tmp<='1'； --產生load_cs的上升沿，鎖存數據

end if；

end if；

end if；

load_cs<=loadcs_tmp；

end if；

①當loadcs_tmp為1時，使clk_max7219為0；當檢測到輸入值data與原數據data_cmp不同時，用data值更新data_cmp（準備下一次比較的數據）和data_tmp（裝載新數據）；使loadcs_tmp為0，移位標志位shift_f置1，允許數據移位。當data與data_cmp相同時，表明數據未更新，loadcs_tmp為1，保持在①狀態繼續檢測數據是否更新。

②當loadcs_tmp為0、shift_f為1時，將data_tmp的最高位輸出給din，其他位左移一位，實現16位并行數據data_tmp的逐位左移串行輸出，先高位后低位；使clk_max7219為0、shift_f為0。

③當loadcs_tmp為0、shift_f為0時，使clk_max7219由0變為1，din每移一位產生一個clk_max7219時鐘。當cnt<15時，16位數據未傳完，cnt自加1，使shift_f為1，在下一個clk時鐘上升沿返回到②繼續串行輸出。當cnt=15時，表明16位數據全部串行輸出完畢，使cnt清零，shift_f為0；使 loadcs_tmp由0變為1，產生數據鎖存信號的上升沿，鎖存數據，在下一個clk時鐘上升沿返回到①檢測數據是否更新。

3 時鐘分頻模塊設計

時鐘分頻模塊clkdiv_50M將Basy2開發板上提供的50MHz時鐘分頻，需保證提供給ctrl_dot的時鐘clk_16data與提供給ROM IP核的時鐘clk_rom匹配，只有當ctrl_dot中的16位數據全部串行輸出后才允許更新data。通過分析ctrl_dot.vhd程序可知，16位數據傳輸至少需要34個clk_16data周期，所以clk_16data的時鐘頻率必須高于34倍的clk_rom時鐘頻率。

4 基于MAX7219的8×8點陣顯示效果

將時鐘分頻模塊clkdiv_50M、ROM地址模塊ctrl_addr、ROM IP核romip和MAX7219驅動模塊ctrl_dot連接起來，添加引腳約束文件后，進行綜合、實現、產生可編程文件，下載到Basys2開發板上，顯示出如圖7所示的效果。

5 結語

本文著重介紹了MAX7219控制器的VHDL程序設計。將MAX7219的寄存器地址、初始化設定值和點陣待顯示信息組成16位數據存入ROM IP核中，然后用if嵌套語句編程實現了16位并行數據的串行輸出，從而控制MAX7219驅動LED點陣顯示。

本文將大量數據存入ROM中提高了編程效率。另外，一個8×8點陣模塊只需一片MAX7219芯片，無論從軟件編程還是從硬件實現來看，都比用譯碼器與74HC595的組合驅動更實用，有更廣泛的應用價值。

參考文獻

[1]朱海洋，歐陽明星，張俊武.基于Android控制的LED點陣顯示設計與實現[J].液晶與顯示，2016，31（11）：1064-1069.

[2]趙婷婷，王先全，姜增暉，王培懿.基于ARM的LED點陣自動調光控制系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2016，（8）：63-66，96.

[3]文瑾，施連敏.基于KW01-Zigbee MCU無線LED點陣屏控制系統的設計與實現[J].福州大學學報（自然科學版），2017，45（1）：32-36.