基于FPGA的16×16点阵模块控制器设计

乔广欣，李亚峻*，李 松，杨 堃斌，于宝

(天津科技大学电子信息与自动化学院 天津300222)

LED点阵显示系统不仅能够静态显示字符和图像，而且能够动态显示文字、动画、视频等信息，具有亮度高、寿命长、价格低、视角大等优点，得到广泛应用。

常用的 LED 点阵显示系统由微控制器、LED点阵显示屏及其行列驱动电路组成。所用微控制器的种类有基于AVR单片机的ATmega128[1]和基于51单片机的 AT89C51[2]、基于 ARM 的以 Cortex-M0＋为内核的 KW01-Zigbee[3]和以 Cortex-M3为内核的STM32F103[4]、基于 FPGA 的 Xilinx Virtex4 系列XC4VSX25[5]等。单片机与 ARM 的开发语言有汇编语言或C/C＋＋语言，FPGA的开发语言有VHDL语言或 Verilog语言。本文用 VHDL语言编程，采用DIGILENT公司的便携式 Basys2开发板，其上嵌有Xilinx Spartan-3E系列FPGA器件XC3S100E[6]。

16×16点阵有32个引脚，不适合直接与微控制器相连，占用太多的引脚资源。实际上常将译码器、串并转换芯片组成行列驱动电路用于控制LED点阵显示，常见的有用3-8译码器74HC138或4-16译码器 74HC154轮询扫描点阵行，用移位寄存器74HC595锁存点阵列数据[1,4]。本文选用74HC138与74HC595驱动的点阵模块。

1 16×16点阵模块的硬件电路

16×16点阵的每一行接LED灯的正极，每一列接 LED灯的负极。点阵的 16行 H1—H16由两片74HC138组合控制，Hi＝1时第 i行被选通；点阵的16列L1—L16由两片74HC595级联进行控制，Hi＝1、Lj＝0时，第i行第j列的LED灯被点亮。

1.1 点阵行驱动74HC138

74HC138是一个 3-8译码器，当使能信号E3E2E1＝100时，A2A1A0从 000到 111依次取值，使输出端Y0—Y7依次输出低电平[7]。如图1所示，用2个74HC138组合能够实现4-16译码器，在输出端外接三极管(图 1中只示意性地画了一个)可以驱动16×16点阵的点阵行 H1—H16(高电平有效)。始终使 G＝0，当 D＝0时，74HC138-1使能，CBA从 000到 111依次取值，H1至H8行依次被选通；当 D＝1时，74HC138-2使能，CBA从000到111依次取值，H9至H16行依次被选通。

图1 用74HC138控制点阵行Fig.1 Control of dot matrix row with 74HC138

1.2 点阵列驱动74HC595

74HC595是一个移位寄存器，可实现数据的串行输入/8位并行输出或者串行输出[8]。如图 2所示，将 74HC595-1的 SQH与 74HC595-2的 SI相连，也就是将两片74HC595级联，可实现16位数据的并行输出，用于控制16×16点阵的16列L1—L16。

图2 用74HC595控制点阵列Fig.2 Control of dot matrix column with 74HC595

74HC595有三个重要的输入引脚，SCK(数据输入时钟)、SI(数据输入)、RCK(输出锁存时钟)，分别对应于点阵模块上的引脚名称为 CLK、DATA、LATCH。它们的工作时序如图 3所示，当RCK为低电平时，从SI串行输入的数据D0—D15在每个SCK的上升沿依次被载入移位寄存器。从第 8个 SCK的下降沿开始，数据将出现在74HC595-2的输入端SI。连续输入 16位数据后，在 RCK的上升沿 D0—D15被锁存到输出存储器中，立即更新点阵列 L16—L1上的信息。

图3 74HC595的时序图Fig.3 Timing diagram of 74HC595

2 点阵显示驱动模块

图4点阵显示驱动模块 disp_dot16×16实现的是点阵行控制信号的产生、16位点阵列数据的存取与串行输出。

图4 点阵显示驱动模块Fig.4 Dot matrix display driver module

2.1 点阵列数据的存储与调用

点阵列数据从 74HC595串行输入。由于74HC595只有一个输出存储器，只能存储一行数据。所以需要通过编程轮询扫描点阵的 H1—H16行，同时在 L1—L16列输入待显示的信息，利用人眼的视觉暂存现象实现16×16点阵图形的显示。

点阵图像的数据较多，适于用ROM或RAM存储起来，然后用查找表的方式输出。本设计直接调用Xilinx ISE软件开发环境提供的ROM IP核(romip模块) ，在其上存储了一幅16×16点阵的图像信息。在时钟clk_row的上升沿，根据ctrl_addr模块地址addr从romip模块中读取数据dout，地址addr自加1。

2.2 点阵行列控制器的VHDL程序设计

ctrl_addr模块的地址 addr不仅控制点阵列数据的存取，还控制ctrl_dot模块的点阵行选通信号dcba和点阵列数据data的更新。为了使74HC595正常工作，需要按照图 3所示的工作时序编写它的 VHDL控制程序，将16位并行数据data_line(15∶0)转换为串行数据输出给 data，同时产生 74HC595芯片所需的数据输入时钟clk_hc595和输出锁存时钟latch，它们分别与 16×16点阵模块的 DATA、CLK、LATCH端相连，如图2所示。点阵行列控制器的VHDL程序段用如下if语句编程实现。

g＜＝'0'； --选通 74HC138

if rising_edge(clk)then

if latch_tmp＝'1' then -- ①

clk_hc595＜＝'0'；

if(addr_l＝addr_tmp)then

data_tmp ＜＝ data_line；

addr_tmp：＝addr_tmp＋1；

latch_tmp＜＝'0'；

shift_f＜＝'1'；

else

dcba＜＝addr_l-1；

end if；

else

if shift_f＝'1' then -- ②

clk_hc595＜＝'0'；

data＜＝data_tmp(0) ；

data_tmp(14 downto 0)＜＝data_tmp

(15 downto 1)；

shift_f＜＝'0'；

else -- ③

clk_hc595＜＝'1'；

if cnt＝X"F" then

latch_tmp＜＝'1'；

cnt：＝X"0"；shift_f＜＝'0'；

else

cnt：＝cnt＋1；shift_f＜＝'1'；

end if；

end if；

end if；

latch＜＝latch_tmp；

end if；

① 装载新数据/选通点阵行。当 latch_tmp为 1时，使 clk_hc595为 0。当 addr_l与预设的 addr_tmp不一致时，说明地址未更新，点阵显示上一行的信息，继续检测。当检测到addr_l与addr_tmp相同时，说明有新数据到来，将新数据 data_line装载到data_tmp；addr_tmp自加 1，准备下一个数据的地址；使latch_tmp为0，移位标志位shift_f置1。

② 16位数据串行输出，先低位后高位。当latch_tmp为 0时，如果 shift_f为 1，则将 16位并行数据的最低位输出给 data，其他数据右移一位，实现数据从低位到高位的串行输出；使 clk_hc595为 0，shift_f为 0。

③ 产生时钟clk_hc595和输出锁存信号latch的上升沿。当latch_tmp为0时，如果shift_f为0，则使clk_hc595由 0变为 1，每移一位数产生一个clk_hc595时钟；当 cnt＜15时，说明 16位数据未传完，使cnt自加1，shift_f为1，在下一个clk时钟的上升沿转到②继续串行输出。当计数器 cnt＝15时，表明16位数据全部串行输出完毕，使latch_tmp由0变为 1，产生输出锁存信号 latch的上升沿，锁存数据。使cnt清零，shift_f为0，在下一个clk时钟上升沿转到①，等待下一次数据更新。

3 16×16点阵显示的硬件实现效果

对工程进行综合、实现、产生可编程文件，下载到Basys2开发板上，实现了如图5所示的显示效果。

图5 16×16点阵显示效果(津门)Fig.5 16×16 dot matrix display effect(Jinmen)

在存储器中存入更多幅图像信息，然后对地址模块 ctrl_addr进行更复杂的编程控制，即可实现图像的动态显示，使一幅幅图像切换显示，使点阵显示信息向左或向右移，等等。

4 结 论

本文着重介绍了点阵行列控制器的 VHDL程序设计，用 if嵌套语句编程实现了数据的存储调用与串行输出、控制 74HC138驱动点阵行选通、控制74HC595驱动点阵列，从而在点阵屏上显示出预设的图像信息。