基於CPLD的LED顯示控制板

    LED點陣顯示屏使用高亮度LED發光管構成點陣，通過編程式控制制可以顯示中英文字元、圖形及視頻動態圖形．LED顯示以其組構方式靈活、亮度高、技術成熟、成本低廉等特點在證券、運動場館及各種室內/外顯示場合得到廣泛的應用．隨著集成電路技術的發展，數字系統迅速朝更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的方向發展．用CPLD的引入，實現了LED屏自動掃描的功能，大幅提高LED屏的頻率，同時分擔了CPU 的任務，提高了CPU 的處理能力．

1 LED 點陣顯示屏驅動機制
    在加油系統中引入了點陣顯示，主要用來顯示加油的價格和計量，也可以用來顯示時間和廣告．用於發布消息、顯示漢字的點陣式LED顯示屏通常由若干塊LED點陣顯示模塊組成；用於顯示的8×8單色LED顯示點陣模塊，每塊有64個LED；為了減少引腳且便於封裝，LED顯示點陣模塊採用陣列形式排布，即在行列線的交點處接有顯示LED．因此，LED點陣顯示模塊的顯示驅動只能採用動態驅動方式，每次最多只能點亮一行LED(共陽形式LED顯示點陣模塊)或一列LED(共陰形式LED顯示點陣模塊)．微機通過匯流排操作控制來完成對每一個LED點陣顯示模塊內每個LED顯示點的亮、暗控制操作．以此類推，可實現整屏LED點陣的亮、暗控制，從而實現LED顯示屏漢字或圖像的顯示控制操作．
    以一個由8個LED點陣顯示模塊組成的點陣顯示屏為例(如圖1)，移位寄存器的輸入端是data引腳，pulse引腳接入移位寄存器的移位脈衝．點陣顯示控制板計算出顯示圖形的點陣碼，通過控制data和pulse引腳，輸入某行的數據，然後選通該行，LED顯示屏將得到該行的點陣顯示．這樣逐行掃描，得到整屏顯示效果．以顯示“A7我”的圖形為例，顯示的點陣碼是
“/*--A--*/0x00，0x00，0x00，0x10，0x10，0x18，0x28，0x28，
0x24，0x3C，0x44，0x42，0x42，0xE7，0x00，0x00
/*--7--*/0x00，0x00，0x00，0x7E，0x44，
0x44，0x08，0x08，0x10，0x10，0x10，0x10，0x10，
0x10，0x00，0x00
/*--我--*/0x06，0x40，0x38，0x50，0x08，0x48，0x08，0x48，0x08，0x40，
0xFF，0xFE，0x08，0x40，0x08，0x48，0x0E，0x28，
0x38，0x30，0xC8，0x20，0x08， 0x50， 0x09，
0x92，0x08，0x0A，0x28，0x06，0x10，0x02”。
    以第10行為例，其點陣數據是“00111100 00010000 00111000 00110000”。點陣顯示控制板輸出該數據和同步移位脈衝，圖1上部的移位寄存器將接收“00111100 00010000 00111000 00110000”並鎖存，然後LED顯示板的第10行被選通，LED顯示屏第10行顯示如圖點陣(黑方塊)．
 

2 點陣顯示系統的框架
    點陣顯示在船用加油系統中主要起到顯示價格和體積的作用，要求實時性高，顯示準確．如圖2所示，PC Server控制整個加油系統，通過一個PCI卡與船用加油系統通信．PC Server實時地將顯示信息傳送給點陣顯示控制板，點陣顯示控制板接收顯示數據並轉化為點陣碼，從而進一步控制LED點陣顯示屏．點陣碼的移位和相應的行掃描是由CPLD開發的(如圖3)．
 
 

3 點陣顯示板的硬體實現
    點陣顯示控制板主要硬體有AT89C51，MAX232，HY62256A，AT28C256和EPM7128-SLC8組成．串口晶元MAX232負責點陣顯示控制板和PC Server的通信．EPROM 除了存放控制程序以外，還存儲了部分漢字和符號的點陣碼庫，C51收到PC傳來的漢字內碼后，會搜索這個點陣碼庫以得到相應的點陣碼．C51并行輸出點陣碼，CPLD 將接收的點陣碼串列輸出到DataH 和DataL，並為點陣顯示屏提供同步移位脈衝信號Sck．
    點陣顯示板的部分外圍電路是用CPLD設計的，CPLD(complex programmable logic device，複雜可編程邏輯電路)是在PAL，GAL等基礎上發展起來的一種具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件，幾乎所有應用門陣列、PLD和中小規模通用數字集成電路的場合均可應用CPLD器件．CPLD同以往的PAL，GAL等相比較，具有集成度高、在線可編程、使用方便靈活的特點，且性價比合理；不但可實現常規的邏輯器件功能，還可實現複雜的時序邏輯功能．CPLD的應用使硬體開發更加靈活，可減輕系統開發時的電路調試強度，縮短開發周期，同時在硬體設計上有一定的保密性．
    CPLD晶元選用Altera公司的MAX7000S系列器件EPM7128SLC84，它有128個邏輯宏單元，邏輯門數為2500門，在MAX+PLUS II軟體環境下，採用VHDL和原理圖輸入相結合的方法進行設計．設計輸入完成後，進行整體的編譯和邏輯模擬，然後進行轉換、布局、布線、延時模擬生成配置文件，最後以4引腳的JTAG 介面方式通過ByteBlaster下載電纜對CPLD進行在線編程(ISP)，完成結構功能配置，實現其硬體功能，製成專用晶元．為了避免器件內的設計被他人複製和取出，可通過對MAX7128S內部的一個保密位編程，對設計進行加密．當對器件重新編程時，保密位連同其他的編程數據均能擦除和重寫．MAX7000系列是工業界中速度最快的高集成度可編程邏輯器件系列．它的系統結構如圖4所示．它們的輸入寄存器的建立時間非常短，能提供多個系統時鐘且有可編程的速度/功率控制．
 

4 CPLD的設計實現
    CPLD設計為匯流排方式，所有的功能模塊和指令控制器都掛在匯流排上，AT89C51通過ALE，CS，RD，WE，P0口(數據地址復用)，P2口(高地址)同晶元相連接，C51可以通過讀/寫指令對訪問．如圖5所示，8根三態數據/地址復用匯流排，連接C51的P0口，另有8根高地址匯流排連接C51的P2口，實現C51對EPM7128SLC8內部模塊的讀寫操作．因為在項目中使用的是一個8×2的LED屏，每個8位移位寄存器對應一行LED顯示模塊．EPM7128SLC8內部包含兩個8位移位寄存器，兩個8位移位寄存器的地址空間分別為0xA000圖5 EPM7128SLC84同單片機介面原理圖和0xA001．對0xA000和0xA001兩個地址的寫入，就可以把點陣碼鎖存在兩個8位移位寄存器中．移位控制埠的地址是0xC000，C51向0xC000寫入指令后，鎖存在0xA000和0xA001兩個移位寄存器的數據串列輸出，並為點陣顯示屏提供同步脈衝信號．在EPM7128SLC8里設計一個8位計數器，當移位寄存器移動8位后，計數器會通知移位控制單元結束移位，準備下一次移位的到來．AD0～ AD7是三態數據/地址復用匯流排，A8~A15是高8位地址匯流排，READ和WRIT是讀寫信號．
 

5 AT89C51的程序實現
    圖6是點陣顯示控制板AT89C51的主程序．主程序開始初始化相應的軟硬體，然後進入主循環，等待PC Server通過串口傳送的數據．數據的接收和CPLD點陣緩存區的掃描觸發程序都是C51的中斷程序．C51通過中斷1接收PCServer傳送的數據，其主循環程序不斷檢查接收緩存區，如果接收到發給新的完整數據，就會根據數據查找點陣碼庫，並將新的點陣碼寫入CPLD點陣掃描緩存區，並觸發新一輪的CPLD點陣掃描．CPLD點陣掃描緩存區是在RAM 中內建的一塊緩存數據區，其大小根據點陣顯示屏確定，點陣顯示屏的每個LED點對應內存中的一位．
 
    將點陣掃描中的部分固化在CPLD中后，與C51相配合提高了C51的處理速度．C51在將點陣碼寫入相應緩存區后，只要向CPLD發出掃描觸髮指令，具體的掃描工作將由CPLD硬體負責，點陣屏的掃描由C51軟體實現變為CPLD硬體實現，提高了掃描頻率和C51的處理能力．

6 結束語
    由於功能強大、速度高、設計靈活等優點，CPLD在數字系統設計、通信領域、DSP領域、計算機系統等領域有著越來越廣泛的應用．點陣顯示控制板引入CPLD集成了分離元件的設計，實現CPLD與單片機介面以及點陣掃描功能，同時CPLD的使用也分擔了CPU 的任務，並且CPLD可根據點陣屏的不同而更改設計，使得整個系統的性能以及靈活性在原有的電路上大幅度提高．