基于FPGA的LED點陣書寫顯示屏的實現

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

一、系統方案設計與論證

1.方案比較與論證

在“點亮”功能下，當光筆接觸屏上某點LED時，能即時點亮該點LED，并在控制器上同步顯示該點LED的行列坐標值（左上角定為行列坐標原點）。在“劃亮”功能下，當光筆在屏上快速劃過時，能同時點亮劃過的各點LED，其速度要求2S內能劃過并點亮40點LED。在“反顯”功能下，能對屏上顯示的信息實現反向顯示。在“整屏擦除”功能下，能實現對屏上所顯示信息的整屏擦除。根據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LED所在點進行編址，然后通過計數器逐次加1，光筆指向點所對應的地址感受到光時，可由顯示器輸出，但是，若進行劃亮功能時，由于地址逐次加1，所以必須按順序劃寫，完成斜線劃亮，點亮等功能較難。方案二，對LED進行逐行，逐列掃描，控制模塊內部根據行列計數器此時的計數數據記錄LED地址，當檢測到輸入信號時，就停止掃描并將拾取信號的控制脈沖送出而點亮該燈，同時向顯示模塊輸入地址，此方案便于尋找到LED地址且且易控制點亮時間而實現劃亮等功能。

用單片機實現LED點陣書寫顯示屏：可按順序調整序號，可以使圖文上下平移，而順序調整列顯示數據的位置可以達到左右平移的目的。同時調整行列順序，就能得到對角線平移的效果。其他模式的數據處理可用相應的計算方法，不過算法太復雜，太浪費時間，并且刷新的時間，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.總體設計

（1）總體思路

采取了VHDL語言程序控制的動態掃描方式，實現對LED點陣進行逐行逐列的掃描。掃描時LED微亮，用光筆檢測掃描時，如在某點拾到LED光信號，即某坐標LED被弱掃描到，這時檢測信號給與行、列鎖存器一個脈沖信號使得行、列坐標被鎖存下來，并通過顯示器顯示出該點的坐標，同時檢光電路輸出一個高電平送入CD4066模擬開關控制端，輸出高電壓以增大該點在LED上的電壓，LED由微亮變為強亮。同時采用光敏器件檢測環境亮度，能自動連續調節顯示器亮度。

系統結構圖如圖1。

（2）點亮劃亮功能的設計思路

在光筆檢測到某點被掃描到的信號后，根據功能用狀態機控制點亮時間，在本電路中設計點亮時間為3秒鐘，3秒過后又開始動態掃描直到出現第二個檢光信號，再鎖存該點行列地址并顯示，以后循環以上狀態。如果要實現劃亮功能，可以減少點亮時間，使得點亮時間在0.01秒左右這時人的眼睛看到的是光筆移動過的LED連續點亮，實現了點亮功能。

（3）反顯及連寫功能的設計思路

反顯可以在強光快速掃描時，人眼看到的是這個點整點亮，此時如果用光筆檢測某個燈閃過的信號，便進入劃亮的模式，只不過檢光電路向外界輸出的是高電平，使得模擬開關CD4066關閉，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，每檢測到一個信號便將這個信號的地址存入RAM，并在掃描15秒后按剛才鎖存的地址逐個實現點亮功能并加快掃描脈沖，便看到剛才光筆劃過的字型，其后有進入15秒的掃描書寫，這樣可實現連寫功能。

二、系統硬件電路的設計與實現

1.電源部分的實現

原理介紹：

在電源的實現中應用三端可調式集成穩壓器（CW317），該電路為輸出電壓1.2～37V連續可調，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限制，不得小于5mA。CW317的輸出端與調整端之間電壓Uref固定在1.2V，調整端（ADJ）的電流很小且十分穩定（50uA），因此輸出的電壓U0=1.2(1+R2/R1)

2.光電電路的實現

圖1 整體設計框

（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體的光電效應制成的一種阻值隨入射光的強弱的變化而變化的電阻，入射光強，電阻小，入射光弱，電阻增大，在其兩端產生一定電壓，在通過C4066，提高了靈敏度，很快產生一系列高低電平，在通過100K電位器的濾波整形之后便產生一規則的脈沖信號，在經過運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檢測到信號的標志信號確定行列地址。

（3）點陣顯示屏的驅動原理

用計數器記錄行和列掃過的時間，將掃描數據通過鎖存器傳遞到點陣數據接口，再經過五位譯碼器將其地址譯碼成32行數據和32列數據，FPGA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來驅動某行和列上的某點LED燈點亮。

三、系統軟件的設計

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，進行了軟件調試后下載到控制器，再連硬件電路進行調試。

1.整體軟件設計框（見圖3）

圖3 軟件設計框

2.顯示模塊說明（見圖4）

圖4 顯示模塊原理

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

四、結果分析并仿真

1.顯示屏亮度自動調節分析

在一個放大電路中加入光敏電阻，使其處于臨界飽和狀態，由于光照的變化可以自動調節該電路的靜態工作點，能夠產生一個隨外界環境變化的信號來控制LED的亮度。

2.點陣顯示屏驅動分析

這里使用的是康芯公司的競賽板，其是六腳能產生一個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，該信號就是整個電路的時基頻率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LED點陣點亮。要使2秒內顯示40個字，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技術實用教程[CP].科學出版社.

[2]譚會生.EDA技術及應用(第二版)[CP].西安電子科技大學出版社.

[3]雷伏容.EDA技術與VHDL程序開發基礎教程[CP].清華大學出版社.

[4]杭州康芯電子有限公司的KX_DVP3D型電子設計競賽應用板資料.