基于VHDL語言的英文字母顯示電路設計

陸健，陸柳延

（江蘇商貿職業學院，江蘇南通，226007）

1 EDA技術簡介

EDA，即電子設計自動化，電子設計的關鍵工作由計算機自動完成。EDA技術可以實現對可編程邏輯器件的設計，可編程邏輯器件的核心是“可編程”，它是指器件的內部硬件電路連接可以修改，完成多次的布局布線。利用EDA技術，設計人員需要正確完成邏輯功能的設計，之后，由EDA軟件平臺完成器件內部的布局布線工作。同時，EDA平臺提供了豐富多樣的軟件仿真功能，也可以使用專門的軟件仿真工具，對已有的設計結果進行功能仿真、時序仿真、驅動仿真甚至電磁兼容的驗證。當仿真結果提示不能達到設計要求時，一般只需要修改設計者的設計描述，并不需要重新設計硬件電路，即使是硬件電路的修改也只是軟件中部分語句的修改，消耗資源較少[1]。因此，EDA技術的普及，使電路的設計成本明顯降低，設計者的工作效率明顯提高。

VHDL，相較于其他硬件描述語言，硬件描述能力更強，特別在復雜的電路設計中，非常適合自頂向下的分層設計，先后完成系統級功能設計，高層模塊行為與功能描述，功能仿真，最后進行往下逐級細化描述。

2 八段數碼管工作原理

在數字測量儀表或其他數字設備中，常常需要把測量或處理的結果直接用特定的字符顯示出來，所以，數字顯示電路是許多電子設備不可缺少的組成部分。數字顯示電路通常由計數器、譯碼器、驅動器和顯示器組成。對于數字顯示器，發光二極管（LED）顯示器的應用最為廣泛。

圖2 共陰極引腳接線方式

在日常生活中，發光二極管隨處可見，應用十分廣泛，例如，LED燈泡，數字電子時鐘等等。LED數碼管一種是半導體發光器件，其基本單元是發光二極管，關鍵部分由一個PN結組成，具有單向導電性。數碼管可分為七段數碼管和八段數碼管兩類，分別由發光二極管按照一定的連接方式構成。它們的區別是，八段數碼管比七段數碼管多一個用于顯示小數點的發光二極管單元DP（decimal point）。八段數碼管如圖1所示。發光二極管的正向工作電壓為1.5~3V，工作電流10mA左右，為防止發光二極管因工作電流過大而損壞，實際應用中，通常在發光二極管支路串聯接入一個限流電阻，實現對其保護功能。

圖1 八段數碼管示意圖

根據控制方式的不同，數碼管分為共陽極和共陰極兩種，共陰極的數碼管的負極為八個發光二極管的共有負極，其他接點為獨立發光二極管的正極，其接線方式如圖2所示，對于共陰極數碼管，對應陽極接高電平的字段發光，則共陰數碼管可使用輸出高電平有效的顯示譯碼器來驅動。共陽極數碼管的接線方式與共陰極恰好相反，可用輸出低電平有效的顯示譯碼器驅動。

根據實際需求，讓數碼管的某些段發光，即可顯示不同的字符。它能夠顯示數字0~9，還可以完成英文字母顯示，也可以根據需要，實現指定字符的顯示輸出。

3 英文字母的顯示原理和VHDL語言設計

電路采用八段數碼管顯示。根據不同的數碼管點亮方式，能夠實現不同的英文字母顯示功能。表1列出了部分字母顯示與八段數碼管的控制方式。

表1 部分字母顯示與八段數碼管的控制方式

程序設計采用VHDL語言，根據選擇信號賦值語句，結合IF語句的判斷功能，實現對數碼管的輸出控制，最終，顯示出不同的字符。

程序共使用1個時鐘信號“clk0”，計數信號“cnt0”，輸出信號“re”，其中，“cnt0”的值，是電路輸出的主要判斷參數，它直接決定了電路的實時輸出情況。電路的具體程序如下：

4 程序編譯與波形仿真

為了驗證設計的可行性與正確性，利用EDA工具MAX+plusII對程序進行編譯、仿真。

MAX+plusII，是由Altera公司開發的一款軟件，被廣泛用于可編程邏輯器件的設計。同時，它能夠與其他設計工具互相兼容。MAX+plusII的界面如圖3所示，程序的編譯界面如圖4所示，電路的編譯結果如圖5所示。

圖3 MAX+plusII軟件界面

圖4 編譯界面

圖5 編譯結果

電路符號如圖6所示，“clk0”為時鐘信號，“re”為8位段選信號，“re0”、“re1”、“re2”、“re3”、“re4”、“re5”、“re6”和“re7”分別對應著8段數碼管的信號，控制電路的輸出狀態，“r”為8位位選信號，“cnt0”為計數信號，計數信號的狀態跳變一次，電路輸出的狀態也改變一次，圖7為電路引腳編輯界面，可根據需要選擇需要添加的引腳。在時鐘信號上升沿的觸發下，電路輪換顯示字符“0-F”，符合設計要求，波形如圖8所示。同時，在波形中能夠發現延時現象，這是不可避免的。

圖6 英文字母顯示電路的符號

圖7 電路的引腳編輯

圖8 英文字母顯示電路波形仿真

5 結語

在充分理解數碼管工作原理和掌握VHDL語言用法的基礎上，完成了字母顯示電路的設計，基于仿真波形得到，設計結果符合預期。設計過程中，利用VHDL語言中的進程語句和選擇信號賦值語句編寫了完成的顯示電路程序，最后，結合八段數碼管的顯示原理，實現不同的顯示功能。

EDA技術在電子設計領域的主要應用包括電子CAD（Computer Aided Design）與集成電路的設計。電子CAD，即計算機輔助設計，CAD軟件在電路仿真方面發展迅速。伴隨著電子CAD技術的進步，EDA技術逐漸應用在集成電路設計中，尤其是專用集成電路領域，相對于通用集成電路而言，它是一種為滿足某種特定需求而設計的芯片。[1]由于其設計方法簡便，成本低廉等眾多優點，目前，它已經被工業界廣泛采用，逐漸發展成為當今電子設計領域的重要技術。