基于FPGA点阵显示屏设计(软件)毕业论文.doc
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1、东华理工大学长江学院毕业论文 目录 东东 华华 理理 工工 大大 学学 长长 江江 学学 院院 毕 业 论 文 题题 目:目:基于基于 FPGA 点阵显示屏设计点阵显示屏设计( (软件软件) ) Title: Design of Dot Matrix Screen based on FPGA 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文) ,是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和 致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不 包含我
2、为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的 说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文) 的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本; 学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅 览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在 不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声
3、明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文 被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段
4、保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 摘摘 要要 本设计是一 1616 点阵 LED 电子显示屏的设计。整机以 EP2C5T144C8N 为主控芯 片,介绍了以它为控制系统的 LED 点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯 片控制一个行驱动器 74HC154 和两个列驱动器 74HC595 来驱动显示屏显示。该电子显 示屏可以显示各种文字或单色图像,采用 4 块 8 x 8 点阵 LED 显示模块来组成 16x16 点阵显示模式。显示采用动态显示,使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种 显示方式。文中详细介绍了
5、 LED 点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能 及原理、相应软件的程序设计,以及使用说明等。 控制系统程序采用 FPGA 编辑,通过编程控制各显示点对应 LED 阳极和阴极端的电 平,就可以有效的控制各显示点的亮灭。所显示字符的点阵数据可以自行编写(即直 接点阵画图) ,也可从标准字库中提取。 LED 显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、成本低廉 等特点在车站、证券所、运动场馆、交通干道及各种室内/外显示场合的信息发布,公 益宣传,环境参数实时,重大活动倒计时等等得到广泛的应用。 设计结果证明,该系统性能稳定,结构合理,具有横向扩展拼接功能。 关键词关键词: L
6、ED FPGH 硬件描述语言 东华理工大学长江学院毕业论文 Abstract ABSTRACT The design is a 16 16 dot matrix LED display design. The machine to EP2C5T144C8N as the main chip, LED dot-matrix electronic display for the control system it dynamic design and development process. Through the chip to control a line drive 74HC154 and
7、two drive 74HC595 to drive the display shows. The electronic screen can display text or monochrome images, four 8 x 8 dot matrix LED display module to form a 16x16 dot matrix display mode. Displays the dynamic display, graphics or text to achieve stationary, moved out of the other display. LED dot m
8、atrix display hardware design ideas, features and principles of the various parts of the hardware circuit, the corresponding software programming, and instructions for use, etc. in detail. Control system using FPGA Editor, by programming the control point corresponds to the LED anode and cathode lev
9、el, can effectively control the display point bright off. Shows the character of the lattice data can write your own (ie, direct dot drawing) can also be extracted from the standard font.LED display with its group structure is flexible, showing a stable, low power consumption, long life, mature tech
10、nology, low cost and other characteristics of the station, securities, sports venues, major trunk roads and a variety of indoor / outdoor occasions, information dissemination, public promotion, environmental parameters in real time, the major activities of the countdown has been widely used.The desi
11、gn results show that the system is stable performance, reasonable structure, with horizontal expansion splicing. Keywords: LED FPGH hardware description language 东华理工大学长江学院毕业论文 目录 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 FPGA 的发展历史和发展方向1 1.2 FPGA 的应用.3 1.3 LED 的定义和特点4 1.4 LED 简介5 1.5 LED 显示屏的分类7 第二章第二章 系统整体设计方案系统整体设
12、计方案 8 2.1 需要实现的功能8 2.2 显示模式方案论证8 2.3 显示数据传输方案论证.9 第三章第三章 硬件设计硬件设计 10 3.1 FPGA 最小系统10 3.2 FPGA 硬件系统的设计技巧 .14 3.4 列驱动电路.14 3.5 行驱动电路.17 3.6 点阵 LED 电子显示屏电路 18 第四章第四章 系统程序的设计系统程序的设计 20 4.1 系统主程序20 第五章第五章 调试及仿真调试及仿真 22 5.1 系统开发工具介绍.22 5.2 调试与仿真.22 5.3 编译.24 5.4 时序仿真.25 结结 论论 27 致致 谢谢 28 参考文献参考文献 29 附录一附录
13、一 30 东华理工大学长江学院毕业论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 随着 FPGA 的不断发展,应用于生活当中屡见不鲜。以其简单,便捷,低成本及低 功耗的特点逐渐取代了以往中、小规模的集成电路产品。只要写入不同的程序,同一 片 FPGA 能够完成不同的工作,FPGA 极高的可靠性,微型性和智能性(需编写不同的 程序后就能够完成不同的控制工作) ,FPGA 已成为工业控制领域中普遍采用的智能化 控制工具,已经深深地渗入到日常生活当中。 1.11.1 FPGAFPGA 的发展历史和发展方向的发展历史和发展方向 每一个后看来很成功的新事物,从诞生到发展壮大都不可避免地经历过艰难的历 程
14、,并可能成为被研究的案例,FPGA 也不例外。 1985 年,当全球首款 FPGA 产品XC2064 诞生时,注定要使用大量芯片的 PC 机 刚刚走出硅谷的实验室进入商业市场,因特网只是科学家和政府机构通信的神秘链路, 无线电话笨重得像砖头,日后大红大紫的 BillGates 正在为生计而奋斗,创新的可编 程产品似乎并没有什么用武之地。 事实也的确如此。最初,FPGA 只是用于胶合逻辑(GlueLogic),从胶合逻辑到算 法逻辑再到数字信号处理、高速串行收发器和嵌入式处理器,FPGA 真正地从配角变成 了主角。在以闪电般速度发展的半导体产业里,22 年足够改变一切。“在未来十年内 每一个电子
15、设备都将有一个可编程逻辑芯片”的理想正成为现实。 1985 年,Xilinx 公司推出的全球第一款 FPGA 产品 XC2064 怎么看都像是一只“丑 小鸭”采用 2m 工艺,包含 64 个逻辑模块和 85000 个晶体管,门数量不超过 1000 个。22 年后的 2007 年,FPGA 业界双雄 Xilinx 和 Altera 公司纷纷推出了采用最 新 65nm 工艺的 FPGA 产品,其门数量已经达到千万级,晶体管个数更是超过 10 亿个。 一路走来,FPGA 在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步2001 年采用 150nm 工艺、 2002 年采用 130nm 工艺,2003 年采用 9
16、0nm 工艺,2006 年采用 65nm 工艺。 在上世纪 80 年代中期,可编程器件从任何意义上来讲都不是当时的主流,虽然 其并不是一个新的概念。可编程逻辑阵列(PLA)在 1970 年左右就出现了,但是一直 被认为速度慢,难以使用。1980 年之后,可配置可编程逻辑阵列(PAL)开始出现,可 以使用原始的软件工具提供有限的触发器和查找表实现能力。PAL 被视为小规模/中等 规模集成胶合逻辑的替代选择被逐步接受,但是当时可编程能力对于大多数人来说仍 然是陌生和具有风险的。20 世纪 80 年代在“megaPAL”方面的尝试使这一情况更加 严重,因为“megaPAL”在功耗和工艺扩展方面有严重
17、的缺陷,限制了它的广泛应用。 然而,Xilinx 公司创始人之一FPGA 的发明者 RossFreeman 认为,对于许多应用 来说,如果实施得当的话,灵活性和可定制能力都是具有吸引力的特性。也许最初只 能用于原型设计,但是未来可能代替更广泛意义上的定制芯片。事实上,正如 Xilinx 公司亚太区营销董事郑馨南所言,随着技术的不断发展,FPGA 由配角到主角,很多 系统设计都是以 FPGA 为中心来设计的。FPGA 走过了从初期开发应用到限量生产应用 再到大批量生产应用的发展历程。从技术上来说,最初只是逻辑器件,现在强调平台 概念,加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术,从而被应
18、用到更 多的领域。“过去 20 年来,PLD 产品的终极目标一直瞄准速度、成本和密度三个指标, 即构建容量更大、速度更快和价格更低的 FPGA,让客户能直接享用。”Actel 司总裁兼 首席执行官 JohnEast 如此总结可编程逻辑产业的发展脉络。 当 1991 年 Xilinx 公司推出其第三代 FPGA 产品XC4000 系列时,人们开始认真 考虑可编程技术了。XC4003 包含 44 万个晶体管,采用 0.7m 工艺,FPGA 开始被制 造商认为是可以用于制造工艺开发测试过程的良好工具。事实证明,FPGA 可为制造 工业提供优异的测试能力,FPGA 开始用来代替原先存储器所扮演的用来验
19、证每一代 新工艺的角色。也许从那时起,向最新制程半导体工艺的转变就已经不可阻挡了。最 新工艺的采用为 FPGA 产业的发展提供了机遇。 Actel 公司相信,Flash 将继续成为 FPGA 产业中重要的一个增长领域。Flash 技术 有其独特之处,能将非易失性和可重编程性集于单芯片解决方案中,因此能提供高成 本效益,而且处于有利的位置以抢占庞大的市场份额。Actel 以 Flash 技术为基础的低 功耗 IGLOO 系列、低成本的 ProASIC3 系列和混合信号 Fusion FPGA 将因具备 Flash 的固有优势而继续引起全球广泛的兴趣和注意。 Altera 公司估计可编程逻辑器件市
20、场在 2006 年的规模大概为 37 亿美元,Xilinx 公司的估计更为乐观一些,为 50 亿美元。虽然两家公司合计占据该市场 90%的市场 份额,但是作为业界老大的 Xilinx 公司在 2006 年的营收不过 18.4 亿美元,Altera 公 司则为 12.9 亿美元。PLD 市场在 2000 年达到 41 亿美元,其后两年出现了下滑, 2002 年大约为 23 亿美元。虽然从 2002 年到 2006 年,PLD 市场每年都在增长,复合 平均增长率接近 13%,但是 PLD 终究是一个规模较小的市场。而 Xilinx 公司也敏锐地 意识到,FPGA 产业在经历了过去几年的快速成长后将
21、放慢前进的脚步,那么,未来 FPGA 产业的出路在哪里? Altera 公司总裁兼首席执行官 John Daane 认为,FPGA 及 PLD 产业发展的最大机 遇是替代 ASIC 和专用标准产品(ASSP),主要由 ASIC 和 ASSP 构成的数字逻辑市场规 模大约为 350 亿美元。由于用户可以迅速对 PLD 进行编程,按照需求实现特殊功能, 与 ASIC 和 ASSP 相比,PLD 在灵活性、开发成本以及产品及时面市方面更具优势。然 而,PLD 通常比这些替代方案有更高的成本结构。因此,PLD 更适合对产品及时面市 有较大需求的应用,以及产量较低的最终应用。PLD 技术和半导体制造技术
22、的进步, 从总体上缩小了 PLD 和固定芯片方案的相对成本差,在以前由 ASIC 和 ASSP 占据的市 场上,Altera 公司已经成功地提高了 PLD 的销售份额,并且今后将继续这一趋势。 “FPGA 和 PLD 供应商的关键目标不是简单地增加更多的原型客户,而是向大批量应用 最终市场和客户渗透。”John Daane 为 FPGA 产业指明了方向。 Xilinx 公司认为,ASIC SoC 设计周期平均是 14 个月到 24 个月,用 FPGA 进行开 发时间可以平均降低 55%。而产品晚上市六个月 5 年内将少 33%的利润,每晚四周等 于损失 14%的市场份额。因此,郑馨南雄心勃勃地
23、预言:“FPGA 应用将不断加快,从 面向 50 亿美元的市场扩展到面向 410 亿美元的市场。”其中,ASIC 和 ASSP 市场各 150 亿美元,嵌入式处理和高性能 DSP 市场各 30 亿美元。 虽然没有像蒸汽机车发明之初备受嘲笑被讥讽为“怪物”,但是 FPGA 在诞生之初 受到怀疑是毫无疑问的。当时,晶体管逻辑门资源极为珍贵,每个人都希望用到的晶 体管越少越好。不过,Ross Freeman 挑战了这一观念,他大胆预言:“在未来,晶体 管将变得极为丰富从而可以免费使用。”如今,这一预言成为现实。 “FPGA 非常适用于原型设计,但对于批量 DSP 系统应用来说,成本太高,功耗太 大。
24、”这是业界此前的普遍观点,很长时间以来也为 FPGA 进入 DSP 领域设置了观念上 的障碍。而如今,随着 Xilinx 公司和 Altera 公司相关产品的推出,DSP 领域已经不再 是 FPGA 的禁区,相反却成了 FPGA 未来的希望所在。 FPGA 对半导体产业最大的贡献莫过于创立了无生产线(Fabless)模式。如今采用这 种模式司空见惯,但是在 20 多年前,制造厂被认为是半导体芯片企业必须认真考虑 的主要竞争优势。然而,基于过去和关系和直接、清晰的业务模式,Xilinx 创始人之 一 Bernie Vonderschmitt 成功地使日本精工公司(Seiko)确信利用该公司的制造
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