基于AT89S52單片機和ATF1508AS可編程邏輯器件實現(xiàn)LED顯示屏的硬件設(shè)計

0 引言
?????? LED顯示屏主要由電流驅(qū)動電路及LED點陣陣列、控制系統(tǒng)和PC端管理軟件三部分構(gòu)成（圖1）?？刂葡到y(tǒng)負責(zé)接收、轉(zhuǎn)換和處理各種外部信號，并實現(xiàn)掃描控制，然后驅(qū)動LED點陣顯示需要的文字或圖案?？刂葡到y(tǒng)作為LED顯示屏的核心部分，直接決定了顯示屏的顯示效果和性能的優(yōu)劣。本文詳細分析采用Verilog HDL對ATF1508AS進行編程，實現(xiàn)雙口RAM訪問和產(chǎn)生LED點陣驅(qū)動電路所需的各種時序信號。
1? LED顯示屏的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)
????? 本系統(tǒng)設(shè)計中，控制系統(tǒng)采用單片機+CPLD的方案來實現(xiàn)，整個控制系統(tǒng)可分為：信號接收及處理模塊和CPLD的掃描控制模塊和LED點陣驅(qū)動模塊，如圖1 所示。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是使用雙口RAM和CPLD芯片，解決LED顯示屏中高速數(shù)據(jù)傳輸和快速掃描控制的難題，大大提高了動態(tài)顯示的刷新率。
??????? 信號接收與處理模塊的功能是AT89S52單片機通過串口接收PC送來的點陣信息，同時對點陣信息做各種不同的處理。利用雙口RAM IDT7007在單片機和ATF1508AS之間以共享的方式建立高速的數(shù)據(jù)交換通道。

???????? CPLD的掃描控制模塊采用ATF1508AS芯片實現(xiàn)。其功能是從雙口RAM讀取點陣信息，串行化后送顯示掃描驅(qū)動電路，同時輸出各種所需的控制信號。CPLD具有掃描速度快，延時短等特點，克服了單片機由于傳輸速率慢而造成在大屏幕顯示時產(chǎn)生的閃爍效應(yīng)。
2? 基于CPLD的掃描控制模塊的設(shè)計
2.1 設(shè)計思想
?????? 本模塊的功能是從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸送到顯示屏體上，同時產(chǎn)生各種控制信號。時序產(chǎn)生模塊由兩部分構(gòu)成，一是產(chǎn)生訪問雙口RAM的時序，二是產(chǎn)生LED顯示屏接口所需的各種信號。
?????? 硬件電路我們采用較常見的CPLD芯片ATF1508來實現(xiàn)控制系統(tǒng)中的時序產(chǎn)生部分。CPLD是一種具有豐富的可變成I/O引腳的可編程邏輯器件，不僅可以實現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可以實現(xiàn)復(fù)雜而獨特的時序邏輯功能。軟件我們采用Verilog HDL語言來進行設(shè)計。Verilog HDL是用于邏輯設(shè)計的硬件描述語言，已成為IEEE標準。利用Verilog HDL語言對ATF1508AS進行編程，實現(xiàn)掃描控制模塊所需的功能。
?????? 掃描控制部分的原理電路如圖2所示，ATF1508AS是核心部分，需要根據(jù)系統(tǒng)需要定義ATF1508AS的各個I/O端口，下面是I/O端口定義和內(nèi)部寄存器定義的Verilog HDL語言代碼。

module LedSequ(color, datain, addrout, CE, OE, SEMR, RWC, sdr, sdb, sck, le, oe1, cs, clk, counter);
input clk;? //系統(tǒng)時鐘
input[7:0] datain;//RAM數(shù)據(jù)輸入
input[1:0] color;//顏色控制
output[13:0] addrout;//地址輸出口
output SEMR,RWC;
output CE,OE,sdr,sdb,sck,le,oe1,cs;
output[3:0] counter;
reg[3:0] hcnt;//38譯碼器計數(shù)器
reg [7:0] data1;//數(shù)據(jù)寄存器
reg[3:0] counter;//38翻碼器輸出端
reg SEMR,RWC;
reg SDA,SDC;

reg[13:0] addrout,addr;//addr地址計數(shù)器
reg[3:0] state;// 狀態(tài)寄存器
reg [2:0] shcnt;? //移位脈沖讀數(shù)器
reg CE,OE,sdr,sdb,sck,le,oe1,cs;
reg [8:0] byte;
parameter s0=1'd0,s1=1'd1,s2=1'd2,s3=1'd3, s4=1'd4, s5=1'd5; //狀態(tài)常量
2.2 訪問雙口RAM時序的產(chǎn)生
????? IDT7007是具有32KB的雙口RAM電路，與ATF1508AS的連接電路如圖2所示，其中： 為片選信號， 為讀寫控制信號， 為輸出使能信號，A0R-A13R為右端口地址總線，D0R-D7R為右端口數(shù)據(jù)總線，其右端口讀寫時序如圖4所示。我們采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)，其基本工作原理是：S0狀態(tài)進行初始化，S1狀態(tài)時ATF1508AS首先輸出地址信號addrout，然后置 相有效，S2狀態(tài)讀取雙口RAM的數(shù)據(jù)，并存儲到內(nèi)容寄存器datain中，從而完成雙口RAM的讀數(shù)據(jù)過程。下面給出ATF1508AS讀取雙口RAM數(shù)據(jù)的主要代碼：
always @ (posedge clk)
begin //每個時鐘周期,狀態(tài)變化一次
? case(state)
? s0: begin????? //初始化狀態(tài)
?CE=1'b0;???? //IDT7007片選
?OE=1'b1;???? //IDT7007讀選通
?le=1'b0;?
?oe1 = 1'b0;
?cs? = 1'b0;
?addr= 14'b0;
?SEMR=1'b1;?? //IDT7007 置1有
?RWC = 1'b1;? //寫控制 1
?hcnt=4'b0000;
?counter=4'b0000;
?state=s1;
??? end
s1: begin? //輸出RAM地址
?CE=1'b0;
?addrout=addr;//輸出地址
?OE=1'b0;
?SEMR=1'b1;
?RWC = 1'b1;
?shcnt = 3'b000;
?state=s2;
end
?s2: begin //讀雙口RAM數(shù)據(jù)
?oe1=1'b0;
??????? data1 = datain;
??????? state=s3;
? end
?……(顯示掃描及LED驅(qū)動代碼部分)
??? endcase
? end

2.3? LED顯示驅(qū)動時序信號的產(chǎn)生
??? CPLD 與LED點陣的驅(qū)動電路接口如圖? 所示，其中：CS為3-8譯碼器片選信號；OE為BMI5026輸出使能信號，控制LED點陣是否能被點亮；LE為驅(qū)動芯片數(shù)據(jù)鎖存信號；sck為移位脈沖，將CPLD串行輸出的紅綠數(shù)據(jù)串行移入MBI5026（移位寄存器）；A-D為雙3-8譯碼器構(gòu)成的4-16譯碼器的數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)顯示行選通控制； sdr為紅數(shù)據(jù)信號線；sdb為綠數(shù)據(jù)信號線。
其工作過程為：S3狀態(tài)，sck脈沖置0，sdr和sdb分別輸出一位數(shù)據(jù)；S4狀態(tài)時，sck置 1，紅和綠數(shù)據(jù)分別移入相應(yīng)移位寄存器BMI5026，若不足8位時，返回S3狀態(tài)，若不足一行時，返回S1狀態(tài)，讀下一個字節(jié)，若完成一行數(shù)據(jù)移位過程，則轉(zhuǎn)S5狀態(tài)；S5狀態(tài)時，置le為0，將BMI5026的緩沖寄存中一個顯示行的點陣數(shù)據(jù)送輸出寄存器，同時置cs1有效，控制第hcnt行的點陣顯示，然后判斷一屏內(nèi)容是否顯示完成，返回s1狀態(tài)。圖4為完整的有限狀態(tài)機的狀態(tài)圖。

下面給出LED顯示屏體驅(qū)動時序信號對應(yīng)的Verilog HDL程序代碼：
??? s3: begin
? sck=1'b0;
??????? sdr= SDA && color[0];
??????? sdb= SDC && color[1];
??????? OE=1'b1; CE=1'b1;
???? state=s4;
???? end
?s4: begin // 移位輸出到LED顯示屏
? sck = 1'b1;
? shcnt = shcnt +1'b1;
? if (shcnt = = 0)
??? begin
???? addr=addr+1'b1; //讀完一個字節(jié)地址記數(shù)器加1
???? byte=byte+8'b1;
???? if(byte= = nrow)// 如果讀完一行數(shù)據(jù)
?????? begin
???????? oe1=1'b1;//關(guān)LED顯示
?? cs=1'b1;
?? le=1'b0;//驅(qū)動芯片寫入數(shù)據(jù)
?? byte = 8'b0;
?? state=s5;//讀完一行數(shù)據(jù)則顯示
?????? end
??? else state=s1;
?? end
?? else state=s3; //當(dāng)前字節(jié)移位輸出
?end
?s5: begin
?????????? sck=1'b0;
le=1'b0;
???? counter=hcnt;
???? OE=1'b1;
???? CE=1'b0;
?????????? if(addr = = nscreen)
?????????????? addr=0;
????????? oe1=1'b0;
???? cs=1'b0;
???? state =s1;
?????? end

4系統(tǒng)測試及仿真
?? 系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試環(huán)境是：單片機部分在KeilC51下調(diào)試，CPLD部分在Maxplus10下調(diào)試。LED顯示屏的掃描控制模塊的Verilog HDL源程序編寫完成后，在ALTERA公司Maxplus10可以先進行軟件仿真，以觀察各信號是否符合硬件電路所需的時序要求。圖5為掃描模塊 CLPD仿真結(jié)果，符合設(shè)計要求。通過JTAG接口下載到ATF1508AS后，系統(tǒng)工作正常。
5 結(jié)束語
?????? 基于Verilog HDL實現(xiàn)的LED顯示屏掃描控制模塊，應(yīng)用于我們開發(fā)LED大屏幕電子信息顯示屏系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高性了性價比。該LED顯示屏在實際應(yīng)用中具有良好的顯示效果，畫面清晰、性能穩(wěn)定，已經(jīng)在學(xué)校的多個部門得到應(yīng)用。