基于CPLD的LED显示控制板

只看该作者 · 2013-8-25 23:55

LED点阵显示屏使用高亮度LED发光管构成点阵，通过编程控制可以显示中英文字符、图形及视频动态图形．LED显示以其组构方式灵活、亮度高、技术成熟、成本低廉等特点在证券、运动场馆及各种室内/外显示场合得到广泛的应用．随着集成电路技术的发展，数字系统迅速朝更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的方向发展．用CPLD的引入，实现了LED屏自动扫描的功能，大幅提高LED屏的频率，同时分担了CPU 的任务，提高了CPU 的处理能力．1 LED 点阵显示屏驱动机制
在加油系统中引入了点阵显示，主要用来显示加油的价格和计量，也可以用来显示时间和广告．用于发布消息、显示汉字的点阵式LED显示屏通常由若干块LED点阵显示模块组成；用于显示的8×8单色LED显示点阵模块，每块有64个LED；为了减少引脚且便于封装，LED显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示LED．因此，LED点阵显示模块的显示驱动只能采用动态驱动方式，每次最多只能点亮一行LED(共阳形式LED显示点阵模块)或一列LED(共阴形式LED显示点阵模块)．微机通过总线操作控制来完成对每一个LED点阵显示模块内每个LED显示点的亮、暗控制操作．以此类推，可实现整屏LED点阵的亮、暗控制，从而实现LED显示屏汉字或图像的显示控制操作．
以一个由8个LED点阵显示模块组成的点阵显示屏为例(如图1)，移位寄存器的输入端是data引脚，pulse引脚接入移位寄存器的移位脉冲．点阵显示控制板计算出显示图形的点阵码，通过控制data和pulse引脚，输入某行的数据，然后选通该行，LED显示屏将得到该行的点阵显示．这样逐行扫描，得到整屏显示效果．以显示“A7我”的图形为例，显示的点阵码是
“/*--A--*/0x00，0x00，0x00，0x10，0x10，0x18，0x28，0x28，
0x24，0x3C，0x44，0x42，0x42，0xE7，0x00，0x00
/*--7--*/0x00，0x00，0x00，0x7E，0x44，
0x44，0x08，0x08，0x10，0x10，0x10，0x10，0x10，
0x10，0x00，0x00
/*--我--*/0x06，0x40，0x38，0x50，0x08，0x48，0x08，0x48，0x08，0x40，
0xFF，0xFE，0x08，0x40，0x08，0x48，0x0E，0x28，
0x38，0x30，0xC8，0x20，0x08， 0x50， 0x09，
0x92，0x08，0x0A，0x28，0x06，0x10，0x02”。
以第10行为例，其点阵数据是“00111100 00010000 00111000 00110000”。点阵显示控制板输出该数据和同步移位脉冲，图1上部的移位寄存器将接收“00111100 00010000 00111000 00110000”并锁存，然后LED显示板的第10行被选通，LED显示屏第10行显示如图点阵(黑方块)．

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2 点阵显示系统的框架
点阵显示在船用加油系统中主要起到显示价格和体积的作用，要求实时性高，显示准确．如图2所示，PC Server控制整个加油系统，通过一个PCI卡与船用加油系统通信．PC Server实时地将显示信息传送给点阵显示控制板，点阵显示控制板接收显示数据并转化为点阵码，从而进一步控制LED点阵显示屏．点阵码的移位和相应的行扫描是由CPLD开发的(如图3)．

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3 点阵显示板的硬件实现
点阵显示控制板主要硬件有AT89C51，MAX232，HY62256A，AT28C256和EPM7128-SLC8组成．串口芯片MAX232负责点阵显示控制板和PC Server的通信．EPROM 除了存放控制程序以外，还存储了部分汉字和符号的点阵码库，C51收到PC传来的汉字内码后，会搜索这个点阵码库以得到相应的点阵码．C51并行输出点阵码，CPLD 将接收的点阵码串行输出到DataH 和DataL，并为点阵显示屏提供同步移位脉冲信号Sck．
点阵显示板的部分外围电路是用CPLD设计的，CPLD(complex programmable logic device，复杂可编程逻辑电路)是在PAL，GAL等基础上发展起来的一种具有丰富的可编程I/O引脚的可编程逻辑器件，几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件．CPLD同以往的PAL，GAL等相比较，具有集成度高、在线可编程、使用方便灵活的特点，且性价比合理；不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能．CPLD的应用使硬件开发更加灵活，可减轻系统开发时的电路调试强度，缩短开发周期，同时在硬件设计上有一定的保密性．
CPLD芯片选用Altera公司的MAX7000S系列器件EPM7128SLC84，它有128个逻辑宏单元，逻辑门数为2500门，在MAX+PLUS II软件环境下，采用VHDL和原理图输入相结合的方法进行设计．设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、布局、布线、延时仿真生成配置文件，最后以4引脚的JTAG 接口方式通过ByteBlaster下载电缆对CPLD进行在线编程(ISP)，完成结构功能配置，实现其硬件功能，制成专用芯片．为了避免器件内的设计被他人复制和取出，可通过对MAX7128S内部的一个保密位编程，对设计进行加密．当对器件重新编程时，保密位连同其他的编程数据均能擦除和重写．MAX7000系列是工业界中速度最快的高集成度可编程逻辑器件系列．它的系统结构如图4所示．它们的输入寄存器的建立时间非常短，能提供多个系统时钟且有可编程的速度/功率控制．

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4 CPLD的设计实现
CPLD设计为总线方式，所有的功能模块和指令控制器都挂在总线上，AT89C51通过ALE，CS，RD，WE，P0口(数据地址复用)，P2口(高地址)同芯片相连接，C51可以通过读/写指令对访问．如图5所示，8根三态数据/地址复用总线，连接C51的P0口，另有8根高地址总线连接C51的P2口，实现C51对EPM7128SLC8内部模块的读写操作．因为在项目中使用的是一个8×2的LED屏，每个8位移位寄存器对应一行LED显示模块．EPM7128SLC8内部包含两个8位移位寄存器，两个8位移位寄存器的地址空间分别为0xA000图5 EPM7128SLC84同单片机接口原理图和0xA001．对0xA000和0xA001两个地址的写入，就可以把点阵码锁存在两个8位移位寄存器中．移位控制端口的地址是0xC000，C51向0xC000写入指令后，锁存在0xA000和0xA001两个移位寄存器的数据串行输出，并为点阵显示屏提供同步脉冲信号．在EPM7128SLC8里设计一个8位计数器，当移位寄存器移动8位后，计数器会通知移位控制单元结束移位，准备下一次移位的到来．AD0～ AD7是三态数据/地址复用总线，A8~A15是高8位地址总线，READ和WRIT是读写信号．

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5 AT89C51的程序实现
图6是点阵显示控制板AT89C51的主程序．主程序开始初始化相应的软硬件，然后进入主循环，等待PC Server通过串口传送的数据．数据的接收和CPLD点阵缓存区的扫描触发程序都是C51的中断程序．C51通过中断1接收PCServer传送的数据，其主循环程序不断检查接收缓存区，如果接收到发给新的完整数据，就会根据数据查找点阵码库，并将新的点阵码写入CPLD点阵扫描缓存区，并触发新一轮的CPLD点阵扫描．CPLD点阵扫描缓存区是在RAM 中内建的一块缓存数据区，其大小根据点阵显示屏确定，点阵显示屏的每个LED点对应内存中的一位．

将点阵扫描中的部分固化在CPLD中后，与C51相配合提高了C51的处理速度．C51在将点阵码写入相应缓存区后，只要向CPLD发出扫描触发指令，具体的扫描工作将由CPLD硬件负责，点阵屏的扫描由C51软件实现变为CPLD硬件实现，提高了扫描频率和C51的处理能力．

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6 结束语
由于功能强大、速度高、设计灵活等优点，CPLD在数字系统设计、通信领域、DSP领域、计算机系统等领域有着越来越广泛的应用．点阵显示控制板引入CPLD集成了分离元件的设计，实现CPLD与单片机接口以及点阵扫描功能，同时CPLD的使用也分担了CPU 的任务，并且CPLD可根据点阵屏的不同而更改设计，使得整个系统的性能以及灵活性在原有的电路上大幅度提高．

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