基于FPGA的LED点阵控制器完整论文.docVIP

目 录 1引言 2 2系统总体设计和工作原理 4 2.1方案设计与论证 4 2.2工作原理 4 2.2.1LED原理 4 2.2.2点阵系统硬件设计 LED模块 5 3系统硬件电路设计 7 3.1系统主控制芯片Cyclone 飓风FPGA 配置 7 3.1.1主动配置模式 8 3.1.2被动串行控制 11 3.1.3JTAG配置模式 13 3.2 CycloneTM 系列芯片概述 14 3.2.1 M4K 模块介绍 16 3.2.2 cyclone 锁相环（PLLs） 17 3.3系统硬件模块电路设计 17 3.3.1系统总的工作原理 17 3.3.2控制器设计及工作原理 18 4 系统软件的应用与实现 19 4.1应用软件QuartusⅡ7.0简介 19 4.2软件设计总体流程图 23 4.2.1主函数 23 4.2.2单片机串口通信设计 23 总结 25 参考文献 26 附录1 27 附录2：程序 32 致 谢 33 1引言 在系统可编程技术（ISP—In System Programming）及其在系统可编程系列器件，是90年代迅速发展起来的一种新技术和新器件。现场可编程器件（FPGA和CPLD）等ISP器件无须编程器，利用器件厂商提供的编程套件，采用自顶而下的模块化设计方法，使用原理图或硬件描述语言（VHDL）等方法来描述电路逻辑关系，可直接对安装在目标板上的器件编程。它易学、易用、简化了系统设计，减小了系统规模，缩短设计周期，降低了生产设计成本，从而给电子产品的设计和生产带来了革命性的变化。 1.1课题背景及意义 点阵控制器应用最广泛的就属单片机，单片机具有强大的信息处理、逻辑分析、决策判断等能力，借助程序，通过输入/输出接口，实时检测被控对象的状态，控制其当前或预计的行为，组成智能化仪器设备。但是，在应用时单片机存在许多缺点和弱点，如：从低速来说，单片机靠执行指令来完成各种功能，不论多高的工作时钟频率或多么好的指令时序，其排队式串行指令执行方式使得工作速度和效率大打折扣。在高速实时仿真、高速数据采集等方面显得力不从心。从复位工作方式上说，单片机工作之初，需花一段时间经历复位过程；工作时，在某种干扰性突变情况下，也会复位，复杂的复位过程很可能就是工作不可靠的根源。偶然因素，会引起程序跑飞。虽然有“看门狗”或其他抗干扰措施，在极复杂的情况下，单片机的程序仍存在跑飞的可能，从而进入“死机”。在单片机系统中，单片机的芯片通过印制板与系统中由其他集成电路组成的逻辑电路相连。一旦改变设计，可能重新制版，加长了开发周期。 随着微电子技术飞速发展，集成电路规模越来越大，产生了复杂可编程逻辑器件和现场可编程门阵列FPGA(两种器件有类似之处，以下用器件简称)，这些器件含有数量众多的可编程逻辑宏单元或逻辑块，他们能够任意组合，设计成功能各异的逻辑电路。 器件输入引脚的箝位电平和输出引脚的原始电平可预先设定，一开机立即就能达到预定电平，状态明确。各逻辑宏单元或逻辑块的输入信号仅需几ns～几十ns就反映到输出端，信号传输效率很高，适合高速采样等场合。 可编程逻辑宏单元或逻辑块之间的相互连线在同一封装内，受外界干扰影响小，电磁兼容(EMC)性能好。然而，对设计者来说，器件最大的优点在于可现场编程。改变逻辑关系时，无需更改外部线路板，只需用图形语言程序或硬件描述语言程序来改变电路，生成下载编辑软件，通过下载电缆输入器件即可，非常方便，特别有利于新品试制，大大缩短了开发周期。1.2课题的主要任务和技术指标 由于PLD器件的外围器件很少，且可以利用PLD的编程端口（可复用）进行在系统编程，使得系统的修改、显示方式的改变和扩展都变的非常简单、方便。 电路主要实现的功能是： 1.采用5V电源供电，并具有电源指示灯。 2.利用单片机提取字模数据。 3.把字模数据存放到外部RAM内。 4.用FPGA可编程逻辑芯片控制显示数据。 2.LED显示原理和系统总体设计 2.1方案设计与论证 方案1：采用单片机做为控制器，使用单片机制作和操作起来比较简单，应用也比较广泛，而且单片机的造价低，焊接方便。但单片机的运行速度有限，一旦用来控制大屏幕，它的分辨率就会降低，而且单片机IO口一共有四组，如果需要IO口较多时就容易不够用。 方案2：采用可编程逻辑器件CPLD进行编程设计。这也是我最初考虑的对象，因为，CPLD器件I/O管脚要比单片机多很多，而且可编程逻辑器件的工作频率要远远高于单片机，内存也较大，这样工作起来速度就较单片机要快。选用EPM7128系列芯片，成本较低而且焊接起来也比较方便。但此芯片内部不含有RAM存储器，无法进行缓存，而且程序量较大，占用芯片较多内存，影响工作速度