基于FPGA及VHDL的LED点阵汉字滚动显示设计方案
汉字滚动显示器的传统设计方法是用单片机来控制的，虽然单片机方案具有价格低廉，程序编程灵活等特点，但由于单片机硬件资源的限制，未来对设计的变更和升级，总是要付出较多研发经费和较长投放市场周期的代价，甚至有可能需要重新设计。况且，在以显示为主的系统中，单片机的运算和控制等主要功能的利用率很低，单片机的优势得不到发挥，相当于很大的资源浪费。
采用eda技术的自顶向下的模块化设计方法，借助相关开发软件，例如qualtusⅱ软件，将硬件描述语言——vhdl程序固化于具有丰富i/o口、内部逻辑和连线资源的fpga(现场可编程门阵列)中。该技术具有系统设计效率高、集成度好、保密性强、易于修改、易于实现等优点，成为当今数字系统设计主流技术。此方式所制作的led点阵控制器，由于是纯硬件行为，具有速度快、可靠性高、抗干扰能力强、开发周期短等显著优点。
1 eda点阵显示汉字原理
以8×8的led点阵为例，8×8的led点阵是由64个发光二极管按矩阵形式排列而成，每一行上的发光管有一个公共的阳极(或阴极)，每一列上的发光管有一个公共的阴极(或阳极)，一般按动态扫描方式显示汉字或图形。扫描分为点扫描、行扫描和列扫描三种方式。行扫描需要按行抽取字型码，列扫描则需要按列抽取字型码。为满足视觉暂留要求，若使用点扫描方式，其扫描频率必须大于16×64=1 024hz，周期小于1ms。若使用行或列扫描，则频率必须大于16×8=128hz，周期小于7.8ms。由于所用实验板上提供有1 khz的时钟，本例设计中利用该时钟进行扫描，使每行扫描时间为1 ms，实验结果显示亮度合适。现以行扫描为例简单说明动态扫描显示的原理。图1给出汉字“热”在点阵为列共阳时的行字模。工作时先将要扫描行的点阵字模从各列上输出，再让译码器选中(扫描)该行，使本行得以显示，接着再送下一行数据，再使下一行有效，直到8行全被扫描一遍。至此，一幅完整的文字信息就显现出来，然后再反复扫描这8行直至显示新的信息。以下设计采用行扫描方式实现滚动显示。
2 硬件原理图
整个电路由五大部分组成：时钟计数模块gel_clk，存储汉字字模的rom模块romzi，数据分配器模块mux，移位模块yw及显示模块xiansh-i。时钟计数模块用于产生整个电路所需要的时钟及其对时钟的计数值，例如：移位时钟clk yw，移位计数器cnt yw，字计数器cnt word，显示扫描计数器cnt sm。romzi模块是由qualtusⅱ中的lpm 1port rom定制成，用来存储8个待显示的汉字。mux模块用于在扫描时钟及扫描计数器的作用下，从rom中读出一个汉字的8个行字模信息，送给移位模块yw，yw模块在移位时钟及移位计数器作用下，根据select信号选择对读出的字模信息，进行相应的移位(左移、右移、上移、下移)后，最后送显示模块disp驱动led点阵显示汉字。原理图如图2所示。
3 模块设计及时序仿真
3.1 时钟计数产生模块
时钟计数产生模块由1 khz的输人时钟为基准，进行17位的循环计数cnt[16..o]。该时钟，既是动态扫描显示的时钟，也是从rom中取一个字8个字模的时钟，对之进行的3位循环计数作为扫描显示计数器和取一个字的字型码计数器。cnt[16..o]中的cnt[9]是对该时钟的1 024分频，将其作为移位时钟cnt_yw，周期约为l s。cnt[13…lo]作为4位的移位计数器，是对移位时钟clk_yw的计数，也是对移位位数的统计。16个状态使一个汉字逐列移进点阵，又逐列移出。每经过16个移位时钟，将会显示完一个汉字。cnt[16..14]作为3位的取字计数器。
cnt[16…14]&cnt[2..o]作为rom地址发生器。
3.2 romzi模块
利用lpm参数化模块库中单口rom，利用qualtusⅱ中的megawizard plug-in manager定制而成，定制前首先要制作lpm rom初始化文件，其中存储待显示汉字的字模数据，然后按照lpm megawizardplug-in manager的向导提示，结合设计要求进行定制。
图3为所定制rom中的初始化汉字“元旦生日开心快乐”的字型码。数据分配模块mux要求能在8个时钟作用下，从rom中读出一行(一个汉字的8个字型码)分别送到数据分配器中的wll～wl8输出端。图4为数据分配模块在扫描时钟作用下读取的字模数据，比较图3和图4可知，仿真结果正确，能满足题目要求。
3.3 移位模块yw
移位模块yw是整个设计的核心，行扫描实现左移，是通过每来一个移位时钟，将每一行的字模按位左移一位，扫描时钟到来时送出移位后的新字模。通过8次移位，可将一个汉字移出点阵平面，按类似的道理，也可以将一个汉字经8次移位后移进点阵平面。本例(图2)中，cnt yw为移位时钟的计数值，以wll～wl8为欲显示汉字的原始字模，l10～l80为移位后从列上送出的8行显示字模信息，lll～ll8为8个原始字模信息未送出位的暂存信号。设计中需要16个移位时钟，通过前8个时钟将wll～wl8字模移进led点阵平面，再经后8个时钟，将汉字又一位一位地移出。 移位设计参考文献中有关移位寄存器的设计，分计数值为“0000和非0000两部分处理，对第一行字模的处理为：
其他行可按相同方法处理，具体参见如下的程序：
右移处理方法与上面左移相反，如对第一行可按如下方法处理：
上移时的部分程序按以下思路编制：l10～l70在cnt_yw为初态“0000”时，各信号均赋值x“00”，非初态时，均进行上移一位。即：l10<=l20;l20<=l30;…;l60<=l70;l70<=l80;对于l80，在汉字移进led过程中即前8个状态各移进一个新行，在移出led即后8个状态时，都补进x“00”。程序如下：
下移程序可按相反思路去编。
3.4 显示模块disp设计
显示模块disp是以cnt_sm为扫描计数器，是对1khz进行三位循环计数，由前述的时钟计数产生模块产生，wll～wl8为待送出显示的8个8位字型码，由前述的移位模块yw提供;sw[7..o]为行扫描输出信号，连接至点阵的8个行;data[7..0]为行扫描时对应的列输出字型码，对外连至点阵的8列。该模块参考文献中数码管动态显示程序进行设计如下：
4 硬件实现
上述各模块分别在qualtusⅱ中通过了仿真验证，最后对整体设计进行了硬件验证。将设计载入kh31001开发板的cyclone工系列eplc6q-240c8fpga器件中，实验证明汉字滚动显示扫描情况均正常，能够按照预想进行移位显示，这说明。fpga的内核硬件工作良好，可以正确地实现所要求的设计功能。
5 系统扩展
本文是针对8×8点阵设计，故每次取8个字形码，如果是16×16点阵，将ronzi中存储的字形码改为16位，数据线改为16位，一个汉字需要16个16位的字形码，数据分配模块mux、移位模块yw、显示模块disp，均要将输入输出数据中的原来的8位改成相应的16位。扫描及取字型码计数器cnt_sm应改为cnt计数器的低4位。一个16×16点阵汉字的移进移出共需32个状态。由5位的计数器提供。如用cnt[16..0]中的14～10位作为该计数器，这可在时钟计数器产生单元clk_ge中应做相应修改，字计数器cnt word按照每取16个字进行加1统计。显示disp部分的译码器要由3-8译码改为4-16译码。显示的汉字信息越多，rom的地址线位数越多，字计数器cnt_word应在时钟计数器产生单元ge_clk中，将相应的计数器位数扩展，由cnt计数器的最高位到位15来承担。若还是8个汉字，计数器应为cnt[17..o]，cnt[17..15]为字计数器;若为16个汉字，计数器应为cnt[18..o]，cnt[18..15]为字计数器，…，依次类推。
6 结语
本文在kh31001开发板上实现了基于altera公司的cyclone i系列fpga器件eplc6q240c8硬件及vhdl硬件描述语言设计的led点阵汉字滚动显示，能在8×8点阵上滚动显示“元旦生日开心快乐”8个汉字。文中从led点阵显示汉字的原理阐述出发，给出了点阵汉字滚动显示控制器的原理图，部分模块的vhdl源程序及时序仿真图，并能由按键选择其滚动方式：左移、右移、上移、下移等，给出了系统扩展成16×16点阵汉字滚动的改动思路。从文中描述的系统扩展方案中看出，当系统显示字符个数变化时，只需对控制逻辑和连接关系做适当的修改，再将修改完成的程序下载到器件即可，显然，系统的维护和修改是极其方便和容易的，本文对同类设计也具有一定的参考价值。
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6 结语
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