基于fpga的led显示接口电路设计本科毕业设计论文.docx
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基于fpga的led显示接口电路设计本科毕业设计论文
基于FPGA的LED显示接口电路设计
摘要
LED显示器广泛应用于交通、证券、电信、广告和宣传领域,它具有寿命长、功耗低、亮度高、驱动简单、响应速度快,且可随意拼装等优点。
现在市场上诸多广告牌LED视频屏造价过于昂贵,刷新频率较低,单色屏的显示功能又过于单一,大多需要上位机对显示过程进行实时控制,并且对于大屏幕的系统性能有待提高。
针对以上问题本文讨论了利用FPGA与单片机相结合的方法控制实现多路点阵列显示的技术,以FPGA芯片为核心,其基于FPGA的双口RAM配置和驱动控制电路设计成功地解决了传统LED大屏幕设计中控制系统复杂、可靠性差的问题。
文中给出了系统的软、硬件实现,介绍了其设计思想、层次结构,在QUARTUSⅡ平台下,利用编程和图形文件结合的方法实现了软件设计,经波形仿真验证后,得到了RTL电路连接。
实践证明,该系统工作正常,达到了预期的功能。
关键词:
LED点阵列,FPGA控制器,VHDL,双口RAM
TheRealizationofLEDDisplayInterfaceCircuitBasedonFPGA
ABSTRACT
LEDdisplayhasmanyadvantage,suchaslonglifetime,lowpowerconsuming,highbrightness,canbeeasilydriving,quickinrespondencespeed,andcanbeeasilyassembledandsoon.Butnowadays,LEDdisplaydeviceinmarketisveryexpensive,abitlowerinrefurbishingfrequencyanddisplayfunctionofone-colouredscreenistoounitary.mostneedthesuperiormachinetocarryonthereal-timecontroltothedemonstrationprocess.largescreen'ssystemperformancearestillneedtoenhance.DiscussedthemethodcontrolwhichinviewofcurrentsituationthisarticleunifiedusingFPGAandthemonolithicintegratedcircuittorealizethemulti-channelspotarraydemonstrationtechnology,takingtheFPGAchipasthecore.pairofmouthRAMandCircuitdesignofscanningcontrollerwhicharebasedonFPGAsolvesthecontrolsystemtobecomplexandbadreliableprobleminthetraditionalLEDlargescreensuccessfully.Inthearticle,itgavestherealizationofsystem'ssoftwareandhardware.Thetextintroducesitsdesignidea,thelayerstructure.UndertheQUARTUSII,usingthetexteditorandpicturefiletocombineandcareoutthesoftwaredesign.Afterverificationofwageforeimitate,hardwareelectriccircuitisrealized.Inpractice,Thissystemworksnormally,Thedisplaycharactersshowaccurateandstable.
KEYWORDS:
LEDarray,FPGAcontrolle,VHDL,doublemouthRAM
1绪论
1.1FPGA的概述
FPGA器件(FiledProgrammableGateArray)是八十年代中期出现的一种新概念。
用户现场可编程门阵列集成电路是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的最新一代系统设计积木块。
由于半导体技术的飞跃发展,数字系统应用基本经历了分立元件、小规模集成电路(SSI),中规模集成电路(MSI)和大规模集成电路(LSI)乃至超大规模集成电路(VLSI)的应用过程。
数字系统应用的基本特征仍由中小规模集成度的标准向用户定制的专用集成电路(ASIC)过渡,特别对于现代较复杂的数字系统。
若采用SSI/MSI器件来设计某个特定的应用,不仅要占用很大的物理空间,而且功耗较大,可靠性差;而采用LSI/VLSI器件的专用电路设计,则具有相当高的系统集成度和相对小的功耗,但其开发周期长、开发费用高,具有较大的投资风险性,且有时仍需SSI/MSI器件来设计实现相应的接口逻辑。
80年代出现的可编程逻辑器件PLD在一定的程度上为数字系统设计工程师的快捷、灵活设计提供了可能性、PLD器件的应用,使一系列功能强,速度高,灵活性大的积木式系统设计得以成功。
但是随着现代数字系统设计的发展,PLD器件[1]无论在集成容量、功耗、速度乃至逻辑设计的灵活性上,均不能满足现代数字系统的大容量,高速度,现场灵活编程设计的要求。
FPGA器件的产生正是由此而来、其作为一种新型的用户现场可编程的专用集成电路,显示了诱人的应用前景。
有人预言,九十年代的许多电子系统将以CPU十RAM十FPGA的构成为特征:
反映了现代数字系统设计的一种趋势。
1.1.1FPGA的发展
FPGA(现场可编程门阵列)是可编程逻辑器件如图1-1[2],它是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。
同以往的PAL、GAL等相比较,FPGA的规模比较大,它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片,这样的FPGA实际上就是一个子系统部件。
这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。
经过了十几年的发展,许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。
比较典型的就是Altera公司和Xilina公司的FPGA器件系列,它们开发较早,占用了较大的PLD市场。
作为半导体工业成长最快的一个领域,FPGA市场正在增长,并呈现一定的不稳定特性,参与FPGA技术和器件研发的公司联盟也在不断地发生变化,新技术和器件不断涌现,新的公司也不断地参与到这个行业,很难说当这个行业达到一个稳定的状态时哪一个产品是最有意义的,这里的讨论仅限于正被广泛使用的产品,在讨论每一个具体的产品器件时,将给出每一个器件的规模,这些器件的规模是由器件厂商给的,以逻辑等效门(一个二输入的NAND门的规模)为器件规模的单位。
图1-1FPGA的组成。
今天市场上两种基本的FPGA器件分别是基于SRAM结构和熔丝结构的FPGA。
SRAM结构的FPGA技术,Xilinx和Altera处于领先的地位,他们的主要竞争对手是AT&T。
在反熔丝技术产品方面Actel,Quicklogic和CYPRESS是领先的厂商。
通常来说,在欧洲用Xilinx的人多,在日本和亚太地区用ALRERA的人多,在美国则是平分秋色。
全球PLD|FPGA产品60%以上是由ALTERA和Xilinx提供的。
可以讲ALTERA和Xilinx。
共同决定了PLD技术的发展方向。
1.1.2FPGA的应用
FPGA器件获得了广大的电子设计工程师们的普遍认同,并且在各自不同的设计应用领域得到广泛地使用。
这些应用领城包括:
随机逻辑、多个SPLD器件系统的集成、设备控制器、通讯编码和滤波、包含SRAM模块的中小规模系统设计以及更广泛的应用领域。
一种正在兴起的应用是采用FPGA技术来实现定制的计算机。
这种应用要求用可编程器件来运行软件程序,而不是对软件程序进行编译在常规的CPU上执行。
用户利用FPGA可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。
所以,用目前FPGA/CPLD试制样片,能以最快的速度占领市场。
FPGA/CPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具,及版图设计工具和编程器等全线产品。
电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真,直至最后芯片制作。
当电路有少量改动时,更能显示出FPGA/CPLD的优势。
电路设计人员使用FPGA/CPLD进行电路设计时,不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识。
FPGA软件易学易用,可以使设计人员更能集中精力进行电路设计快速将产品推向市场。
1.2FPGA的设计流程
下面我们以基于Altera公司的QuantusII软件来简单说明一下设计流程。
图1-2是一个典型的基于QuantusII的FPGA开发流程。
图1-2FPGA开发流程
(1)建立工程是每个开发工程的开始。
QuantusII(以下简称Q2)以工程为单元对设计过程进行管理。
(2)建立顶层图。
可以这样理解,顶层图是一个容器,将整个工程的各个模块包容在里面,编译的时候就将这些模块整合在一起。
也可以理解为它是一个大元件,包含各个模块,编译的时候就是生成一个这样的大元件。
(3)采用ALTERA公司提供的LPM功能模块。
Q2软件环境里包含了大量的常用功能模块,例如计数器、累加器、比较器、译码器等等。
如果不懂得在工程中采用这些现有的功能模块真是太浪费了。
一个设计中一般只有极少部分的模块需要自己从零设计。
(4)自己建立功能模块。
当然,有些设计中现有的模块功能不能满足具体设计的要求,那就只能自己设计。
可以用硬件描述语言也可以用原理图的输入方法。
可以把它们独立地当作一个工程来设计,并生成模块符号(Symbol)。
然后在顶层图中使用这个模块的符号,并将源文件(实现该模块的原理图或HDL文件)拷到顶层图所在的工程目录下。
这个过程好比你要做一个电路,现在市面上没有你想要的某个芯片,你就只能自己做一块这样的一块芯片,然后添加到你的电路板上。
(5)将顶层图的各个功能模块用连线连起来。
这个过程类似电路图设计,把各个芯片连接起来,组成电路系统。
(6)系统的功能原理图到此已经基本出炉了,下一步要为该设计选择芯片载体,才能在物理上实现系统的功能。
这一步的主要工作是:
选择芯片型号、为顶层图的各个输人输出信号分配芯片的管脚、设置编译选项,其目的是让编译器知道更多的信息。
(7)编译。
这个过程类似软件开发里的编译,但实际上这个编译过程比软件的编译要复杂得多,因为它毕竟最终要实现硬件里的物理结构,包涵了优化逻辑的组合、综合逻辑以及布线等步骤。
在类似Q2这样的集成环境里这些过程都可以一气呵成,集成环境帮你目动完成了几个步骤。
(8)编译后会生成*sof或*pof这样的文件,通过JTAG下载到FPGA内部,设计无误的话即能实现预期的结果。
断电后,FPGA里的这些信息会丢失,后者可以下载到FPGA的配置芯片,掉电后这些配置信息不会丢失,重新上电以后通过该配置芯片对FPGA内部的RAM进行配置。
简单的来讲就包括顶层文件设计(例化)、创建工程、全程编译、观察RTL电路仿真、了解时序分析结果、引脚锁定、再次编译下载,对FPGA的存储单元在系统读写测试、嵌入式逻辑分析仪测试波形[3]等。
1.3FPGA的设计优势
采用FPGA实现硬线逻辑设计大尺寸文字显示屏控制器具有很多优点[4]。
FPGA主要优点如下:
(a)FPGA的用户现场可编程的特性大大缩短了设计实现周期,可以在很短的时间由设计工程师现场提供样机,使产品的上市时间大大缩短,适于现代的市场竞争需求。
(b)FPGA可以提供比PLD和CPLD器件足够大的有效逻辑容量密度,不仅大大减少了印刷电路板的空间、降低了系统功耗,同时大大提高了系统设计的工艺可实现性和产品的可取性。
(c)FPGA可以反复编程,重复使用,没有前期投资风险,且可以在开发系统中直
接进行系统仿真,故也没有工艺实现的损耗。
以致在小批量的产品应用场合,成本远低于门阵列和全定制ASIC。
和单片机比较的优势:
(a)一股单片机的逻辑操作是串行执行的,不能在同一时间完成多个操作,而FPGA逻辑可以实现并行的电路,电路内部不同的功能块可以同时运行。
(b)一般单片机的速度比较慢,而FPGA逻辑的时钟可以做的很高,好的设计可以使系统的时钟预率超过100M。
(c)单片机的引脚比较少,在显示屏的控制电路中需要用到很多引脚,而一般的单片机无法提供,只能用其它电路扩展引脚,这样就增加了电路的复杂性。
FPGA的管脚比较多,完全能满足本设计的需要。
(d)FPGA的设计非常灵活,通过对逻辑门的不同组合可以实现特定的功能,这一点单片机也是难以办到的。
当然,单片机也有优点,在通信和一些逻辑操作中,使用单片机可以省时省力,而且单片机的成本低廉,充分发挥单片机的能力可以提高系统的性价比。
(e)由于FPGA的门级网表是采用可综合的RTL级代码经过综合器生成,其逻辑可以很容易地通过综合器转化为某种ASIC工艺,所以当设计批量比较大时,可以考虑将FPGA整合为SOC,以降低系统的成本。
正是如此,当今世界FPGA是半导体集成电路工业销售增长最快的部分,FPGA的应用正在产生飞跃。
1.4面向FPGA的EDA开发流程
完整地了解利用EDA技术进行设计开发的流程对于正确的选择和使用EDA软件、优化设计项目、提高设计效率十分有益。
一个完整的、典型的EDA设计流程既是自顶向下设计方法的具体实施途径,也是EDA工具软件本身的组成结构。
图1-3是基于EDA软件的FPGA开发流程简略图,以下将分别介绍各设计模块的功能特点[5]。
图1-3FPGA开发流程简略图
将电路系统以一定的表达方式输入计算机,是在EDA软件平台上对FPGA/CPLD开发的最初步骤。
通常EDA工具的设计输入可分为两种类型。
(1)图形输入
图形输入法通常包括原理图输入、状态图输入和波形图输入等方法[6]。
状态图输入方法就是根据电路的控制条件和不同的转换方式,用绘图的方法,在EDA工具的状态图编辑器上绘出状态图,然后由EDA编译器和综合器将此状态编译综合成电路网表。
波形图输入方法是将待设计的电路看成是一个黑盒子[7],只需告诉EDA工具该黑盒子电路的输入和输出时序波形图,EDA工具即能据此完成黑盒子电路的设计。
原理图输入方法是一种类似于传统电子设计方法的原理图编辑输入方式,即在EDA软件的图形编辑界面上绘制能完成特定功能的电路原理图。
原理图由逻辑器件和连接线构成,途中的逻辑器件可以是EDA软件库中预制的功能模块,如与门、非门、或门、触发器以及各种含74系列器件功能的宏功能模块,甚至还有一些类似于IP的功能块。
用原理图表达的输入方法的优点是显而易见的,如设计者进行电子线路设计不需要增加新的诸如HDL等的相关知识。
设计过程形象直观,适用于初学或教学演示。
对于较小的电路模型,其结构与实际电路十分接近,设计者易于把握电路全局。
由于设计方式接近于底层电路布局,因此易于控制逻辑资源的耗用,节省面积。
然而,使用原理图输入的设计方法的缺点同样是十分明显的,如由于图形设计方式并没有得到标准化,不同的EDA软件中的图形处理工具对图形的设计规则、存档格式和图形编译方式都不同,因此图形文件兼容性差,难以交换和管理,随着电路设计规模的扩大,原理图输入描述方式必然引起一系列难以克服的困难,如电路功能原理的易读性下降,错误排查困难,整体调整和结构升级困难。
显然,原理图的设计方法明显偏离了电子设计自动化最本质的涵义,在设计中由于需要直接面对硬件模块的选用,因此行为模型的建立将无从谈起,从而无法实现真实意义上的自顶向下的设计方案。
(2)硬件描述语言文本输入
这种方式与传统的计算机软件语言编辑输入基本一致,就是使用了某种硬件描述语言的电路设计文本,如VHDL或Verilog的源程序。
可以说,应用HDL的文本输入方法克服了上述原理图输入法存在的所有弊端,为EDA技术的应用和发展打开了一个广阔的天地。
2LED
2.1LED显示屏的发展
LED显示屏(LEDpanel):
LED就是lightemittingdiode,发光二极管的英文缩写,简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,其大概的样子就是由很多个通常是红色的发光二极管组成,靠灯的亮灭来显示字符。
用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
,
通过红色,蓝色,白色,绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频,内容。
可以根据不同场合的需要做出不同的调节,比如一般的广告牌那些流动的字画,就是通过flash制作一个动画,储蓄在显示屏的一张内存卡里,再通过技术手法显示出来的,可以根据不同的需要随时更换,各部分组件都是模块化结构的显示器件。
传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展,是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是:
亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。
LED的发展前景极为广阔,正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性,可靠性、全色化方向发展。
LED显示屏作为一种新兴的显示媒体,随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展,得到了飞速发展,它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏,以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、使用成本低等特点,在短短的十来年中,迅速成长为平板显示市场的主流产品之一,在信息显示领域得到了广泛的应用。
它与传统的显示媒体--多彩霓虹灯、像素管电视墙、四色磁翻板相比较,有亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命低、显示内容多样、显示方式丰富等优势。
现今其在控制系统方面电路结构不断改善,并向嵌入式大屏幕发展,使其稳定性和刷新频率不断提高,并且成本大大降低。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像。
不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境,具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
(a)1990年以前——LED显示屏的成长形成时期。
一方面,受LED材料器件的限制,LED显示屏的应用领域没有广泛展开;另一方面,显示屏控制技术基本上是通讯控制方式,客观上影响了显示效果。
这一时期的LED显示屏在国外应用较广,国内很少,产品以红、绿双基色为主,控制方式为通讯控制,灰度等级为单点4级调灰,产品的成本比较高。
(b)1990-1995年——LED显示屏迅速发展的时期。
进入九十年代,全球信息产业高速增长,信息技术各个领域不断突破,LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。
蓝色LED晶片研制成功,全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展,在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术,显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰,显示屏的动态显示效果大大提高。
这一阶段,LED显示屏在我国发展速度非常迅速,从初期的几家企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元,产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域,特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。
LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成,LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
(c)1995年以来,LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。
LED显示屏产业内部竞争加剧,形成了许多中小企业,产品价格大幅回落,应用领域更为广阔,产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题,有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导,目前这方面的工作正在逐步深化。
2.1.1LED显示屏的国内发展现状
(1)产业发展初具规模
我国的LED显示屏产业经过几年的发展,基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。
据不完全统计,至1998年底,年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家,其销售总额达6亿元左右,占行业市场总额的85%以上。
全国从事LED显示屏的各类企业有100余家,从业人员近6000人,行业年度销售总额近8亿元人民币,1996年、1997年的增长速度均保持40%左右,1998年略有回落。
在国内市场上,国产LED显示屏的市场占有率近100%,国外同类产品基本没有市场。
LED显示屏是发光二极管的主要应用之一,近年来发展迅速。
目前LED显示屏制作技术先进,售价低,国外公司很难在大陆占领竞争市场。
中国的发展在世界LED产业中紧挨美国、日本,位居世界第三。
五年来,每年平均增长达20%以上。
一家正在投产的公司利用MOVPE技术,生产InGaAlP超亮度的发光材料和芯片;台湾有七家生产LED芯片的公司,生产各色传统芯片占世界产量的七成以上,主要厂商有光磊、鼎元、光宝、国联等,欧美、日本等著名光电公司也使用台湾芯片,台湾封装工厂有30余家,有10个是大公司,主要有光宝、亿光、今台等,这些厂商大多在大陆设厂,以扩大产量,降低成本,增加市场竞争能力。
因此我国LED产业的整体实力雄厚,有望成为电子基础产品重要支柱产业。
(2)技术水平相对领先
我国LED显示屏产业在规模发展的同时,产品技术推陈出新,一直保持比较先进的水平。
90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进技术,近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现;LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。
LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍,在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中,科技人员有2800多人,将近50%。
LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分,也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。
(3)行业发展正在逐步规范
1995年以前,LED显示屏的生产无行业规范。
1996年原电子部委托蓝通公司制定《LED显示屏通用规范》,1998年1月正式作为电子行业标准发布实施,使LED显示屏产业标准化工作开始走向规范。
1998年初,中国光协光电器件分会加强了LED显示屏行业的管理,在引导规范行业发展、开展光电器件与LED显示屏产品技术及检测标准交流协调等方面积极开展工作,目前正在就标准体系和具体标准的建立组织力量进行有关工作。
随着产品标准体系的形成和系列标准的实施,LED显示屏产业在向健康有序的方向发展。
(4)应用领域广泛
主要应用的领域有:
证券交易、金融信息显示,机场航班动态信息显示,港口、车站旅客引导信息显示,体育场馆信息显示,道路交通信息显示,调度指挥中心信息显示,邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示,广告媒体新产品等等。
2.1.2LED显示屏的发展趋势
现代信息社会中,视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展。
二十一世纪将是平板显示的时代,LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展,并有望成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。
(1)高亮度、全彩化
蓝色及纯绿色LED产品自出现以来,成本逐年快速降低,已具备成熟性行业化条件。
全彩色LED显示屏将是LED显示屏的重要发展方向。
LED产品性能的提高,使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡达到比较理想的效果,完
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