基于FPGA基礎(chǔ)設(shè)計(jì)掃描數(shù)碼顯示器研究

劉海 吳文通 曹鑫 陜西烽火通信集團(tuán)有限公司

1 設(shè)計(jì)方案應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)原理

1.1 基于乘積項(xiàng)的可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)

大部分市場(chǎng)中所使用的產(chǎn)品，都是采用這種可編程邏輯器件的芯片結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)基本功能的邏輯基礎(chǔ)。而可編程連線部分，主要負(fù)責(zé)所有個(gè)體的宏單元連接起來(lái)，組合成一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)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(tǒng)的各項(xiàng)電氣特性，例如，一些可以控制設(shè)定為電極的三態(tài)輸出和百率等等。

1.2 查找表的結(jié)構(gòu)以及原理的基本描述

查找表英文表義為L(zhǎng)ook-up-table，查找表的系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。現(xiàn)代科技當(dāng)中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列技術(shù)大多會(huì)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(jī)存取存儲(chǔ)器。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)使用硬件描述語(yǔ)言或利用原理圖，來(lái)明確描述一種邏輯電路之后，可編程門(mén)陣列所開(kāi)發(fā)的軟件將會(huì)自動(dòng)的計(jì)算邏輯電路中可能出現(xiàn)的所有結(jié)果，而且能夠把結(jié)果準(zhǔn)確的輸入到隨機(jī)存取存儲(chǔ)器當(dāng)中，每當(dāng)輸入完成一個(gè)信號(hào)之后，都會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的地址出現(xiàn)在查找表上，專(zhuān)業(yè)編程人員只需要尋找到與地址相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，完成輸入之后便可以結(jié)束操作

1.3 七段數(shù)碼管顯示器

LED是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要是由半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)（即將p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在同一塊半條體上交界面形成的空間電荷區(qū)）。發(fā)光二極管在接收到正向電流和正向偏置的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)發(fā)光的現(xiàn)象，具有壽命長(zhǎng)、體積小、工作需要的電壓值較低、并且反應(yīng)速度較快的優(yōu)勢(shì)。二極管進(jìn)行正常工作的時(shí)候，燈管發(fā)出的亮度與線路中電流的數(shù)值成正比。因此，如果要在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用到發(fā)光二極管，需要首先考慮將主流電阻串聯(lián)在發(fā)光二極管上。另外，當(dāng)發(fā)光二極管連入到接通的線路當(dāng)中，還需要應(yīng)用點(diǎn)亮筆將二極管接入的區(qū)域用橫線或點(diǎn)的形式標(biāo)注出來(lái)。發(fā)光二級(jí)管的明暗程度能夠通過(guò)其顯示出來(lái)的符號(hào)來(lái)表示。應(yīng)用多個(gè)發(fā)光二極管組合出來(lái)的七段數(shù)碼顯示器，它的連接方式設(shè)計(jì)人員主要分為兩種一種是共陽(yáng)顯示器，一種是共陰顯示器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容

為了節(jié)省輸入和輸出端管角和內(nèi)部的邏輯資源，通常會(huì)使用數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)的掃描，這種掃描的方式主要是利用了人類(lèi)的視覺(jué)短暫停留的錯(cuò)覺(jué)感，來(lái)完成對(duì)六位的數(shù)碼管進(jìn)行分別循環(huán)選通操作，并且,在配合數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)的同時(shí)，選擇相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。當(dāng)掃描的速度達(dá)到足夠快的時(shí)候，人的視覺(jué)神經(jīng)所看到的數(shù)碼管就會(huì)是六位同時(shí)顯示。在一般情況下，對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行掃描的的頻率達(dá)到1000赫茲就可以了。在設(shè)計(jì)一個(gè)六位數(shù)碼顯示器動(dòng)態(tài)刷新顯示的掃描電路時(shí)，需要多個(gè)單位模塊，主要包括BCD七段顯示譯碼器、六進(jìn)制計(jì)數(shù)器以及多路開(kāi)關(guān)等等。并且根據(jù)相應(yīng)系統(tǒng)的需求，還應(yīng)該設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，增加應(yīng)用一個(gè)六位的數(shù)碼塊，來(lái)提供所需要顯示的數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

2.2.1 新建和命名

用相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，在File New菜單中，單機(jī)選擇新建一個(gè)工程。工程名稱(chēng)和頂層文件需要根據(jù)相應(yīng)實(shí)際情況來(lái)命名。在器件設(shè)計(jì)對(duì)話框當(dāng)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(gè)步驟的最后環(huán)節(jié)。

2.2.2 模塊定義和連接

首先打開(kāi)File New菜單，在菜單中選擇點(diǎn)擊創(chuàng)建圖形文件口令，然后將鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作界面，完成圖形文件的創(chuàng)建。之后需要在圖形編輯器的界面當(dāng)中，尋找一個(gè)名為Block Tool的工具按鈕，單機(jī)選擇工具按鈕，可以完成所需模板的新建操作，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)操作模板的定義，完成模塊與模塊之間的緊密聯(lián)系。

2.2.3 設(shè)計(jì)頂層文件

單機(jī)選擇File Save As菜單，該菜單可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)置為與實(shí)際相符合的命名。

2.2.4 VHD 設(shè)計(jì)文件

單機(jī)數(shù)據(jù)模塊時(shí)，會(huì)彈出一個(gè)菜單，在其中選擇相應(yīng)的命令，能夠正確的建立數(shù)據(jù)硬件描述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)文件。

2.2.5 編寫(xiě)程序

編寫(xiě)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(dāng)中，以硬件描述語(yǔ)言的方式輸入數(shù)據(jù)所需要的設(shè)計(jì)程序。

2.2.6 生成 MULX 設(shè)計(jì)文件

單機(jī)MULX模塊，直接選擇與生成設(shè)計(jì)文件步驟相同的命令，并最終生成以MULX為前稱(chēng)的硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)文件

點(diǎn)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(chēng)的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)文件。

2.2.9 在編輯器界面編寫(xiě)B(tài)CD的VHD 標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言的程序。

綜上所述，本文主要是應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)陣列最基本的處理芯片，并使用VHDL標(biāo)準(zhǔn)硬件語(yǔ)言，來(lái)完成對(duì)硬件電路行為描述的分析。同時(shí)，本文詳細(xì)描述了現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)陣列的應(yīng)用原理以及實(shí)際操作，完善了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)陣列的設(shè)計(jì)方式，更加細(xì)致的理解設(shè)計(jì)板塊，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。