基于CPLD和嵌入式系统的LED点阵显示

摘要：采用自顶向下的设计思想，综合运用EDA 技术、CPLD技术和共享式双口RAM，解决了大屏幕LED点阵显示屏无闪烁显示的技术难题。给出了系统设计方法及实际电路。
   LED点阵显示屏是显示公共信息的一种重要显示终端，其中大屏幕LED点阵显示屏在许多场合得以应用。大屏幕显示所采用的技术比中小屏幕显示难度更大，因为其屏幕大、LED点数多，要求在极短的时间内刷新每个点，使得其扫描速率必须非常高，所以只有设计合理的控制电路才能达到这个要求。本文着重解决大屏幕LED点阵显示这一技术难题。通过采用自顶向下的设计思想，综合运用高速CPLD、双口RAM等技术和芯片，设计出了大、小屏幕皆适合的显示控制电路。特别是利用单片机、CPLD与双口RAM的无缝结合，将复杂的任务分配给不同的硬件处理，满足了对实时性的要求。本系统不仅给大屏幕LED点阵显示提供了优良的控制电路，而且为CPLD器件和EDA技术提供了切实的应用实例。其中，共享双口RAM的应用，为高速总线与低速总线的通信提供了一个新的解决方案。
   1 硬件设计
显示系统由信号处理电路和扫描电路两大块构成，其系统原理框图如图1所示，实际电路框图如图2所示。微处理器MCU采用8 位单片机AT89C51，它通过串口接收来自PC机的待显示数据。由于PC机串行总线标准RS232 的逻辑电平与单片机电路使用的TTL电平不同，所以PC机与MCU之间的通信数据必须经过RS232 电平转换芯片MAX232进行转换。从PC机接收到的数据存放在8K字节的电可擦写内存EEPROM 28C64中，这样可方便地随时修改待显示的信息，并且在掉电情况下不至于丢失数据。由于系统软件要进行大批量的数据处理，所以扩充了单片机缓存区大小，采用了8K字节的外部静态RAM 6264。

   
   1.1 双口RAM的应用
采用双口RAM是本设计的一个主要特色。一般的RAM(如6116)只有一套地址总线、数据总线和控制总线，在同一时间只能执行同一总线操作。而标准双口RAM有左侧和右侧两套地址总线、数据总线和控制总线，可供两套总线对其进行访问。在本系统中，单片机通过共享的双口RAM IDT7132与CPLD通信，单片机将数据写入IDT7132中，而CPLD则从IDT7132中读取数据并通过扫描逻辑电路输出出去。
   由于CPLD扫描模块可以达到很高的扫描速率，而单片机的运行速度则相对较低，并且两个模块间需要有大量的数据交换，为此选择双口RAM芯片IDT7132SA35JS，它的速度等级是35ns，完全满足两个模块实时通信的要求。双口RAM是两个数据模块间的数据信道，必须是共享的，它在本设计中起到了关键作用。
   1.2 基于CPLD的独立扫描模块
显示部分的点阵模块采用双色LED共阴点阵模块(实际上可显示红、黄、绿三色)。 8 块8×8点阵模块连接成32×32点阵。为易于控制，将公共接口作为行控制，且行的接地引脚经过一个开关三极管接地(设计中简称行扫描管)，实现对相应列的控制。因为一个行扫描管同时控制着一行中多个LED的通断，所以它承载较大电流。以每个发光二极管流过的电流为10mA计算，一个128列的点阵屏中，每个行扫描管所承受的电流是10mA×128=1.28A,为此选用高速中功率达林顿管TIP127，它的集电极吸收电流最大可达5A，保证了行的驱动能力。由于显示点阵的每一行都需要用一个三极管来控制，所以32×32点阵共需要32个TIP127。
   行扫描电路采用通用数字电路译码输出来控制。在32×32点阵显示时，扫描输出需要大量的I/O埠，而ATMEL公司生产的CPLD 芯片ATF1508AS15JC84(与ALTERA公司的MAX7128SLC84-15功能及封装等完全兼容)的外部I/O埠不够用，所以采用两片CPLD，一片专用于行扫描，另一片用于读取双口RAM IDT7132中的数据并进行列扫描。
   列扫描电路的功能是在选中某行时送该行对应的列数据，由于采用的是8位微处理器，一次只能送一个字节的数据，即每次只能扫描8列。本设计中，采用8550三极管矩阵驱动方式，从而节省了大量控制信号引脚资源。
   独立扫描模块的功能是以双口RAM 为中介将单片机送来的资料在LED 点阵显示屏上显示出来，其电路原理图如图3所示。单片机总线将处理好的待显示数据存放在U5(双口RAM IDT7132SA35JS中，然后U6(CPLD芯片ATF1508AS15JC84，用Verilog HDL语言编写其总线读逻辑)读取存放在U5中的待显示数据并驱动显示屏。整个显示屏为128×32点阵，一次扫描一个字节即8位，为此全屏显示需要128×32÷8=512字节。将地址线A9R、A10R 接地，这样只允许访问U5中的低512K 字节。 CA0~CA8是CPLD 输出到U5中的地址总线，CD0~CD7是从U5读出数据的数据总线。 J1是行扫描信号接口，CH0~CH4 为行扫描计数器输出信号，时钟信号可从CLK 输出给行扫描计数器。 J2为列扫描控制信号V0~V7输出接口。 DR0~DR15为一色的列选通控制信号输出，由于I/O端口引脚不够，所以另一色的列选通信号采用译码电路译码输出，用J3的四线输出。 CON1为JTAG 接口，J6为时钟源选择接口，可接单片机的ALE信号，也可接有源晶振CR2的输出。有源晶振CR2相当于一信号产生电路，只要其2脚接地，4脚接电源，3脚就有额定的输出波形。
   由于采用CPLD 设计扫描逻辑，所以扫描逻辑的关键不再取决于硬件连接，而是取决于芯片的设计。
   1.3 基于单片机的通信与信号处理电路
本系统采用ATMEL公司的8位单片机AT89C52，主要完成数据处理、存储和通信功能，其原理图如图4所示。
   
   U4是AT89C51单片机;U3是地址锁存器，用来锁存单片机的低8位地址信号。因为要显示的数据量很大，特别是当设计复杂的显示效果时需要处理的资料量更大，而AT89C51内部缓存容量不足，所以扩展外部RAM，采用容量为8K字节的HM6264，即U7。 U2是容量为8K字节的EEPROM 28C64，用来存储字模数据，而不用作程序内存。U5是双口RAM，U1是将RS232电平转换为TTL电平的电平转换器。
   PC机将欲显示的字或图形的点阵数据通过串口送到单片机，单片机将其存储在EEPROM(U2)中，然后再根据显示要求对这些数据进行特定的处理，处理完后存储在双口RAM(U5)的特定地址，供扫描模块扫描取数进行显示。为了便于编写串行通信程序，使用振荡频率为11.0592MHz的晶振CR1 和C5、R1及SW1组成的复位电路。
   
   2 软件设计和编写
2.1 主控电路CPLD芯片设计与调试
   
   
   主控电路的功能是读取双口RAM中的数据并通过译码逻辑电路将数据显示在LED点阵显示屏的特定位置上。因为只用到单片机的一部分功能，所以使用CPLD芯片将MCU中的总线读控制器及其外围译码逻辑电路集成在一起。如若采用传统方案，就必须采用多片芯片；而使用CPLD后，只用一片芯片就可以实现所要的功能。总线读控制器是产生时序的电路，需根据内存的读时序进行设计，只有保证正确的时序才能读出数据。双口RAM的读写时序和普通RAM的读写时序基本相同，如图5所示。 CE(芯片使能)是片选信号，在片选信号从高变低之前必须输出地址信号给双口RAM，然后再用读信号去控制OE(输出使能)端，在OE信号由高变低后，数据总线上的数据有效，即可控制读出数据并译码输出。
   复杂的时序电路用硬件描述语言描述，一般是用有限状态机来描述。有限状态机是时序电路通用模型，任何时序电路都可以表示成有限状态机。从本质上讲，有限状态机是由寄存器与组合逻辑构成的时序电路，各个状态之间的转移总是在时钟的触发下进行的。针对图5所示的读时序，可列出如图6所示的各种状态的转换图。用Verilog HDL语言描述时可用带有always语句的case语句建模，状态信息存储在寄存器中，case语句的多个分支包含每个状态的行为。在这里将读时序分为S0、S1、S2、S3四个状态，其工作方式如下：

   
   步骤S0在RAM的片选CE 使能之前输出地址；
   步骤S1选中RAM，输出读信号；
   步骤S2行计数器输出，读出RAM的数据并反相输出；
   步骤S3片选禁止，读禁止，地址计数器加1。
   译码输出逻辑电路主要是提取地址计数器的计数输出。在某个状态下，行地址计数器输出低5位数据，位译码输出高4位数据并译码输出16个位选信号。
   时序电路中一般留有复位信号，当复位端为1时，地址计数器复零，地址输出复零，片选。读控制信号置1，使状态机回到状态S0。
   2.2 行译码CPLD芯片设计
行译码器的功能较主控电路来讲相对简单，它是将主控电路的行计数器输出的6位二进制数据译成32行的行选通信号，去控制行驱动管驱动行输出。这是一个纯组合逻辑电路，使用Verilog HDL 语言描述的always语句和case 多分支语句即可实现此功能。
   2.3 单片机的C程序设计
在本系统中，单片机的功能主要是负责通信与数据处理。通信即通过串口接收来自PC机的数据并存储在EEPROM中;数据处理即从EEPROM中取出数据并根据要显示的效果进行软件处理，再存放在双口RAM中。在本系统中，因单片机及外围电路只负责通信和数据处理，对实时性要求不高，因此用前后台系统进行软件设计就能达到要求。本系统采用嵌入式操作系统RTX51TNY(KEIL C平台自带的免费的微实时内核)。软件主要由PROCESS.C和SERIAL.C两个档组成。PROCESS.C包含三个任务:任务0，初始化；任务1，静态显示；任务2，左移显示。 SERIAL.C是串口中断程序$静态显示的算法较简单，只要将EEPROM中的字模数据存放到双口RAM中的特定位置即可。左移显示则需要将字模数据每个字节左移，然后存放在双口RAM的特定位置。