基于FPGA基礎設計掃描數碼顯示器研究

劉海 吳文通 曹鑫 陜西烽火通信集團有限公司

1 設計方案應用的實驗原理

1.1 基于乘積項的可編程邏輯器件結構

大部分市場中所使用的產品，都是采用這種可編程邏輯器件的芯片結構。可編程邏輯器件大部分可以劃分為三各層面：可編程連線（一種周邊接口配接器）、輸入或輸出端控制塊以及宏單元。其中宏單元是可編程邏輯器件的基本結構，該結構是實現系統各項基本功能的邏輯基礎。而可編程連線部分，主要負責所有個體的宏單元連接起來，組合成一個有機的統一體，并且還能夠接收到板塊與板塊之間的信息傳遞。而輸入和輸出端控制塊的主要功能是控制系統的各項電氣特性，例如，一些可以控制設定為電極的三態輸出和百率等等。

1.2 查找表的結構以及原理的基本描述

查找表英文表義為Look-up-table，查找表的系統本質是一個隨機存取存儲器。現代科技當中，現場可編程門陣列技術大多會利用四輸出的查找表，這種查找表能夠被看作為一種具有四位地址線的隨機存取存儲器。當用戶通過使用硬件描述語言或利用原理圖，來明確描述一種邏輯電路之后，可編程門陣列所開發的軟件將會自動的計算邏輯電路中可能出現的所有結果，而且能夠把結果準確的輸入到隨機存取存儲器當中，每當輸入完成一個信號之后，都會有一個相應的地址出現在查找表上，專業編程人員只需要尋找到與地址相對應的內容，完成輸入之后便可以結束操作

1.3 七段數碼管顯示器

LED是發光二極管的簡稱，主要是由半導體材料制成的PN結（即將p型和n型半導體結合在同一塊半條體上交界面形成的空間電荷區）。發光二極管在接收到正向電流和正向偏置的時候會出現發光的現象，具有壽命長、體積小、工作需要的電壓值較低、并且反應速度較快的優勢。二極管進行正常工作的時候，燈管發出的亮度與線路中電流的數值成正比。因此，如果要在設計過程中，應用到發光二極管，需要首先考慮將主流電阻串聯在發光二極管上。另外，當發光二極管連入到接通的線路當中，還需要應用點亮筆將二極管接入的區域用橫線或點的形式標注出來。發光二級管的明暗程度能夠通過其顯示出來的符號來表示。應用多個發光二極管組合出來的七段數碼顯示器，它的連接方式設計人員主要分為兩種一種是共陽顯示器，一種是共陰顯示器。

2 系統設計

2.1 系統設計的相關內容

為了節省輸入和輸出端管角和內部的邏輯資源，通常會使用數碼管進行動態的掃描，這種掃描的方式主要是利用了人類的視覺短暫停留的錯覺感，來完成對六位的數碼管進行分別循環選通操作，并且,在配合數據開關的同時，選擇相對應的數據進行顯示。當掃描的速度達到足夠快的時候，人的視覺神經所看到的數碼管就會是六位同時顯示。在一般情況下，對數碼管進行掃描的的頻率達到1000赫茲就可以了。在設計一個六位數碼顯示器動態刷新顯示的掃描電路時，需要多個單位模塊，主要包括BCD七段顯示譯碼器、六進制計數器以及多路開關等等。并且根據相應系統的需求，還應該設計方案當中，增加應用一個六位的數碼塊，來提供所需要顯示的數據。

2.2 系統設計步驟

2.2.1 新建和命名

用相關的系統設計軟件，在File New菜單中，單機選擇新建一個工程。工程名稱和頂層文件需要根據相應實際情況來命名。在器件設計對話框當中先選擇使用一種EPM系列芯片，從而完成新工程建立的第一個步驟的最后環節。

2.2.2 模塊定義和連接

首先打開File New菜單，在菜單中選擇點擊創建圖形文件口令，然后將鼠標點擊操作界面，完成圖形文件的創建。之后需要在圖形編輯器的界面當中，尋找一個名為Block Tool的工具按鈕，單機選擇工具按鈕，可以完成所需模板的新建操作，從而最終實現對操作模板的定義，完成模塊與模塊之間的緊密聯系。

2.2.3 設計頂層文件

單機選擇File Save As菜單，該菜單可以實現對所新建的圖形文件的保存，并且在保存之前可以將頂層文件，設置為與實際相符合的命名。

2.2.4 VHD 設計文件

單機數據模塊時，會彈出一個菜單，在其中選擇相應的命令，能夠正確的建立數據硬件描述語言的設計文件。

2.2.5 編寫程序

編寫程序是眾多步驟中核心的步驟，需要在建立文本編輯界面當中，以硬件描述語言的方式輸入數據所需要的設計程序。

2.2.6 生成 MULX 設計文件

單機MULX模塊，直接選擇與生成設計文件步驟相同的命令，并最終生成以MULX為前稱的硬件描述語言設計文件。

2.2.7 在編輯器界面中編入程序代碼

2.2.8 生成 BCD 設計文件

點擊BCD _LED 模塊，選擇與上述菜單相同的命令，并最終生成以BCD為前稱的標準硬件描述語言設計文件。

2.2.9 在編輯器界面編寫BCD的VHD 標準硬件描述語言的程序。

綜上所述，本文主要是應用現場可編輯門陣列最基本的處理芯片，并使用VHDL標準硬件語言，來完成對硬件電路行為描述的分析。同時，本文詳細描述了現場可編輯門陣列的應用原理以及實際操作，完善了對現場可編輯門陣列的設計方式，更加細致的理解設計板塊，優化設計方案。