基于fpga的彩色点阵控制器设计毕业设计(论文

基于fpga的彩色点阵控制器设计毕业设计(论文内容摘要：

和在编写程序简单，把 13 脚直接 GND； 14 脚串行数据输出端作为芯片级联端，实现更多数据的级联。 硬件电路总体设计实现 本课题设计用的是 88 的双基色点阵屏，使用四块点阵屏经过设计组合成的 1616 LED 点阵屏用来显示汉字和图片，所谓的 1616，是每一个汉字在纵、横行各用 16 像素点的区域内显示，满足了本次设计的要求。 由于本次使用的点阵屏是双基色的，所以要用 四个 74HC595 芯片通过级联的方式控制十六列红和十六列绿灯的亮灭，再用两块74HC138 芯片级联的方式组合成 416 译码器对十六行进行控制。 用两片 74HC138 芯片的 4 脚和 6 脚相连对两块 74HC138 进行片选，而两片 74HC138 芯片的八位输出管脚与点阵 屏 的十六行的控制脚相连。 由于本课题设计使用的双基色点阵屏是共阳的接法，所以对点阵屏行控制输出的数据进行取反，经过取反再输出，输出的数据就能对点阵屏依次进行某一行的控制。 通过四片 74HC595 芯片上的 11 脚联在一起，再 加上 12 脚并联。 而四块 74HC595 是通过 9 脚级联十四脚实现了 32 位数据的输入。 所以通过 74HC595芯片的 9 脚、 11 脚和 12 脚组合在一起，就能对 LED 点阵屏的 16 列红色和绿色的 LED灯的亮灭进行控制。 硬件电路制作过程 使用 protel 99 画图软件画硬件原理图， protel 99 软件是 ProklTechnology 公司开发的一款画图软件 ， 它可以进行电路原理图设计和单层或双层印刷电路板设计。 该软件中的元器件的封装是有限的，再加上现在市面上的器件的形状各种各样，在进行电路设计和PCB 电路图设计时， 必须先画好相应的元器件封装并更新到元器件库当中，才能完成相应的设计。 图 为 硬件电路开发流程。 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计 (论文 )说明书 第 6 页 共 41 页 图 硬件电路开发流程 （ 1） 设计原理图：根据选用的 74HC138 和 74HC595 芯片的功能设计一款驱动控制电路。 打开 protel 99 软件新建一个原理图文件，根据课题设计要求设计的原理图，在左侧的元器件库中找到相应的元器件图，按照一定的顺序排列。 排列好后，把相应的管脚连接，双击原理图中器件图，弹出对话框，如图 所示，在 Footprint 选项中填入相应的元器件封装的名字。 把每一个器件的封装设定好后，更新 PCB，点击设计标题栏下的子标题 ， 完成了电路图 PCB 更新。 图 封装管脚设置 设计原理图 设计 PCB 图 转印 PCB 腐蚀和打孔 焊接元器件 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计 (论文 )说明书 第 7 页 共 41 页 （ 2） 设计 PCB 图：更新 PCB 图后，对 PCB 图进行设计，把器件进行布局，再根据自己的需要对电源线和信号线进行参数设置。 设置 GND 和 VCC 线的线宽，再对其它线的线宽进行设置，并且要对焊孔和线的进行安全距离设置。 一般 GND 和 VCC 的线宽比其它线要宽，这样通电效果更好，线太细，很微小的一个断开的地方人肉眼是很难看出来的，在对电路进行检测的时候很难发现，给电路进行调试时带来困难，而且通电信号不太好。 设置 好线宽后，再设置焊孔的大小，如果焊孔设置的太小，在打孔的时候会把铜边打没，焊接就非常困难。 设置好这些后，开始进行布线，布线时要注意不要走直线。 因为本课题设计的线路比较多，如果采用单面布局就有很多的跳线，所以选择了制作双面板布局的方式。 （ 3） 转印 PCB：把设计的 PCB 原理图打印时，要注意本课题设计制作的是双层板，在打印顶层电路图时，要对顶层电路进行镜像处理，这样做是为了把顶层电路的所用焊孔与地层电路焊孔对应，如果没有对顶层电路进行镜像处理，就不能使其对应。 把打印好的地层 PCB 图转印到铜板上，需要高温转印机进行转印。 再根据制作双面板的步骤，在一面已经转印好的电路板上，打几个固定的孔 (至少三个点 )，再在顶层的 PCB 图纸找到与电路板上对应的孔，用铁丝穿过 PCB 图纸中对应的孔，再穿过电路板上的孔。 完成后，就固定 PCB 图纸并把它放入高温转印机上转印。 （ 4）腐蚀和打孔：完成后就开始腐蚀电路板，腐蚀后涂上松香，是为了防止氧化线路。 腐蚀完后开始打孔，根据前面设置好的焊盘大小选用相应的打孔针打孔，在打孔时要注意对准焊盘的中心，不然会把焊盘打没，这样会给焊接带来困难。 双面板进行对孔的时候是有偏差的，所以在打孔的时候需要看焊孔是否有线 连接。 如果一面有线连接另一面没有线连接，就对有线连接的那一面进行打孔，这样能为焊接带来方便。 如果只针对一面打孔，由于转印双层电路图产生的误差，在打孔时，把另一面需要焊接的焊盘打掉，焊接困难。 打孔完后，再一次确定焊孔是否去不都打了没，确定无误后才可进行下一步骤。 （ 5）焊接元器件：本次硬件制作的是双面板，首先必须把所有两面需要焊接的焊孔。 对照原理图，用铁丝把每个两面需要焊接的焊孔用铁丝接好，对其进行焊接，在焊接时为了确保每个焊空都是导通的，焊接完一个必须用万用表对其进行测试。 焊完后，再对照原理图，把相应的器件 插入相应的位置，对器件进行焊接。 要特别注意个个元器件的管脚的是否对应，确定无误后才能开始焊接。 硬件行驱动控制模块设计实现 本课题设计用到了两片 74HC138 芯片控制 16 行的选通，查找相关资料并分析了该芯片的管脚功能。 根据本课题设计的要求把两片 74HC138 芯片通过级联的方式连接：把第一片 74HC138 芯片 5 脚和 6 脚分别接 GND 和 VCC；第二片 74HC138 芯片的 4 脚和 5 脚接 GND；两片 74HC138 芯片的 4 脚和 6 脚联起引出一根输入脚 D，其它三根脚为 A、 B、 C， 组合成 416 译码器，如图 所示。 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计 (论文 )说明书 第 8 页 共 41 页 图 416 译码器 当给两片 74HC138 组合设计出的 416 译码器 的 A 至 D 脚二进制编码输入端输入 0至 15 的二进制值，通过两片 74HC138 组合设计出的 416 译码器 通过译码，就能对 LED显示屏的十六行进行控制。 如图 所示，想要先让 U21 进行译码，给 D 置 0 就可以对其进行译码控制。 想要让 U22 进行译码，给 D 置 1，就可以对其进行译码控制。 结合 A、B、 C 三根二进制输入端赋值，再结合设计的反相器电路，如图 所示。 就可以完整的控制共阳点阵屏的十六行的扫描。 VCC Vin RL GND 图 反相器电路图 当给 B 极 Vin 输入端一个高电平，由于三极管的 E 极接 VCC 是的三极管不能导通，当在 E 极和 B 极之间加上一个很大的上拉电阻，通过上拉电阻的作用把 B 极的高电平变为低电平，从而使得三极管处于导通状态，使得接在 LED 显示屏上的 C 极输出低电平。 反之，则输出低电平。 本课题设计使用的点阵显示屏是共阳的接法，所以还需要设计一款反相器电路（如图 所示 ）对译码器输出的数据进行取反。 通过反相器电路与 74HC138 芯片的结合才能使得显示屏显示并对其行进一行一行的控制， 表 为两片 74HC138 芯片结合反相器电路输出的真值表。 RL 接的是 LED 的引脚 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计 (论文 )说明书 第 9 页 共 41 页 表 两片 74HC138 芯片结合反相器输出的 真值表 硬件列驱动控制模块设计实现 本课题设计使用四片 74HC595 芯片并行输出 32 位数据用于控制 16 列红灯和 16 列绿灯的亮灭，通过查找相关资料对该芯片的管脚功能进行分析。 根据本课题设计的设计要 求把四片 74HC595 芯片通过级联的方式连接：四片 74HC595 芯片的 11 脚联在起引出一根移位时钟输入脚 SCK；四片 74HC595 芯片的 12 脚联在起引出一根存储器钟输入脚RCK；第一片芯片的 9 脚和第二片的 14 脚相连，第二片芯片的 9 脚和第三片的 14 脚，第三片芯片的 9 脚和第四片的 14 脚相连。 相连组合成对 32 位数据的移位寄存器，接法如图 所示。 A B C D Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计 (论文 )说明书 第 10 页 共 41 页 图 32 位数据的移位寄存器 当给 14 脚输入 32 位串行数据后，给以为控制信号 SCK 输入一个高电平，通过调用延时程序， 32 位数据通过移位控制信号，分别移入四片 74HC595 芯片中。 数据移完后，给寄存控制信号 RCK 一个高电平把 32 位数据进行锁存，通过 13 脚使能控制信号端接 GND 就 把数据并行输出。 点阵屏模块设计实现 随着科技的进步和迅速发展，使得半导体材料的制造技术和对半导体材料加工技术的不断成熟和完善，从而在制造各种不同的半导体材料越来越容易，使得 LED 显示屏的种类很多，从型号到种类再到像素的大小。 目前，在市场上见到的 LED 点阵屏有单基色和双基色、三基色。 显示屏用红、绿、蓝作为制作显示屏颜色的基础，在软件的控制下，使用一种特定的控制方式可以使双基色显示屏和 三基色显示屏显示出很多种不同的颜色。 三基色显示屏可显示由黑到白的可见光，色彩飞非常丰富。 由于 LED 点阵屏有多种规格，可以根据自己的需要选择，这样为制作多大型的显示屏带来了方便。 根据组成 LED 显示屏颜色的数目可分为单色、双色、三色，根据颜色的不同可以选择制作单色显示屏还是彩色显示屏。 如果想显示一种颜色的字，可以选用单色点阵屏制作显示屏；如果显示多种颜色文字额图片，可以双色和三色矩阵块制作的显示屏。 单色有很多种颜色，如红、绿、黄，蓝色等单色。 双色和三色显示屏显示内容的颜色可以根据不同颜色的发光二极体组合，如红和 绿组合可显示黄色或橙色，这是根据自己设计的软件而定的。 目前使用较多的软件控制方式为脉冲宽度控制法，是控制脉冲的占空大小的方式控制二极体的点亮的时间，从而实现实现彩色显示，图 为单色 LED 矩。