基于FPGA点阵显示屏设计(软件)毕业论文(42页).doc
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1、-基于FPGA点阵显示屏设计(软件)毕业论文-第 35 页东 华 理 工 大 学 长 江 学 院毕 业 论 文题 目:基于FPGA点阵显示屏设计(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
2、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本人郑重声明: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
3、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 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
4、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
5、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: LED FPGH 硬件描述语言ABSTRACTThe design is a 16 16 dot matrix LED display design. The machine to EP2C5T144C8N as the main chip, LED dot-matrix electronic displa
6、y for the control system it dynamic design and development process. Through the chip to control a line drive 74HC154 and 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 disp
7、lay mode. Displays the dynamic display, graphics or text to achieve stationary, moved out of the other display.LED dot matrix 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
8、 detail.Control system using FPGA Editor, by programming the control point corresponds to the LED anode and cathode level, 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
9、 font.LED display with its group structure is flexible, showing a stable, low power consumption, long life, mature technology, low cost and other characteristics of the station, securities, sports venues, major trunk roads and a variety of indoor / outdoor occasions, information dissemination, publi
10、c promotion, environmental parameters in real time, the major activities of the countdown has been widely used.The design results show that the system is stable performance, reasonable structure, with horizontal expansion splicing.Keywords: LED FPGH hardware description language目 录第一章 绪论11.1 FPGA的发展
11、历史和发展方向11.2 FPGA的应用31.3 LED的定义和特点41.4 LED简介51.5 LED显示屏的分类7第二章 系统整体设计方案82.1 需要实现的功能82.2 显示模式方案论证82.3 显示数据传输方案论证9第三章 硬件设计103.1 FPGA最小系统103.2 FPGA硬件系统的设计技巧143.4 列驱动电路143.5 行驱动电路173.6 点阵LED电子显示屏电路18第四章 系统程序的设计204.1 系统主程序20第五章 调试及仿真225.1系统开发工具介绍225.2调试与仿真225.3编译245.4时序仿真25结 论27致 谢28参考文献29附录一30第一章 绪论随着FPG
12、A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。 1.1 FPGA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,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
13、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
14、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90nm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
15、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
16、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
17、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Pr
18、oASIC3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
19、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的
20、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
21、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。”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
22、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设施来生产Xilinx公司设计的芯片对双方都是有利的,于是,无生产线模式诞生了。未来,相信FPGA还将在更多方面改变半导体产业!1.2 FPGA的应用1.2.1 电路设计中FP
23、GA的应用连接逻辑,控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石.事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识(电路知识)和软件应用能力(开发工具)这方面的人才总是紧缺的,往往都从事新技术,新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来,通用和专用IP的设计将成为一个热门行业!搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识.在这个层面,干重于学,当然,快速入门是很重要的,越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗.1.2.2 产品设计把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯,视频,信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客
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