基于CPLD的LED显示控制板

　　ＬＥＤ点阵显示屏使用高亮度ＬＥＤ发光管构成点阵，通过编程控制可以显示中英文字符、图形及视频动态图形．ＬＥＤ显示以其组构方式灵活、亮度高、技术成熟、成本低廉等特点在证券、运动场馆及各种室内／外显示场合得到广泛的应用．随着集成电路技术的发展，数字系统迅速朝更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的方向发展．用ＣＰＬＤ的引入，实现了ＬＥＤ屏自动扫描的功能，大幅提高ＬＥＤ屏的频率，同时分担了ＣＰＵ　的任务，提高了ＣＰＵ　的处理能力．

　　１　ＬＥＤ　点阵显示屏驱动机制

　　在加油系统中引入了点阵显示，主要用来显示加油的价格和计量，也可以用来显示时间和广告．用于发布消息、显示汉字的点阵式ＬＥＤ显示屏通常由若干块ＬＥＤ点阵显示模块组成；用于显示的８×８单色ＬＥＤ显示点阵模块，每块有６４个ＬＥＤ；为了减少引脚且便于封装，ＬＥＤ显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示ＬＥＤ．因此，ＬＥＤ点阵显示模块的显示驱动只能采用动态驱动方式，每次多只能点亮一行ＬＥＤ（共阳形式ＬＥＤ显示点阵模块）或一列ＬＥＤ（共阴形式ＬＥＤ显示点阵模块）．微机通过总线操作控制来完成对每一个ＬＥＤ点阵显示模块内每个ＬＥＤ显示点的亮、暗控制操作．以此类推，可实现整屏ＬＥＤ点阵的亮、暗控制，从而实现ＬＥＤ显示屏汉字或图像的显示控制操作．

　　以一个由８个ＬＥＤ点阵显示模块组成的点阵显示屏为例（如图１），移位寄存器的输入端是ｄａｔａ引脚，ｐｕｌｓｅ引脚接入移位寄存器的移位脉冲．点阵显示控制板计算出显示图形的点阵码，通过控制ｄａｔａ和ｐｕｌｓｅ引脚，输入某行的数据，然后选通该行，ＬＥＤ显示屏将得到该行的点阵显示．这样逐行扫描，得到整屏显示效果．以显示“Ａ７我”的图形为例，显示的点阵码是

　　“／＊－－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行为例，其点阵数据是“００１１１１００　０００１００００　００１１１０００　００１１００００”。点阵显示控制板输出该数据和同步移位脉冲，图１上部的移位寄存器将接收“００１１１１００　０００１００００　００１１１０００　００１１００００”并锁存，然后ＬＥＤ显示板的第１０行被选通，ＬＥＤ显示屏第１０行显示如图点阵（黑方块）．

　　２　点阵显示系统的框架

　　点阵显示在船用加油系统中主要起到显示价格和体积的作用，要求实时性高，显示准确．如图２所示，ＰＣ　Ｓｅｒｖｅｒ控制整个加油系统，通过一个ＰＣＩ卡与船用加油系统通信．ＰＣ　Ｓｅｒｖｅｒ实时地将显示信息传送给点阵显示控制板，点阵显示控制板接收显示数据并转化为点阵码，从而进一步控制ＬＥＤ点阵显示屏．点阵码的移位和相应的行扫描是由ＣＰＬＤ开发的（如图３）．

　　３　点阵显示板的硬件实现

　　点阵显示控制板主要硬件有ＡＴ８９Ｃ５１，ＭＡＸ２３２，ＨＹ６２２５６Ａ，ＡＴ２８Ｃ２５６和ＥＰＭ７１２８－ＳＬＣ８组成．串口芯片ＭＡＸ２３２负责点阵显示控制板和ＰＣ　Ｓｅｒｖｅｒ的通信．ＥＰＲＯＭ　除了存放控制程序以外，还存储了部分汉字和符号的点阵码库，Ｃ５１收到ＰＣ传来的汉字内码后，会搜索这个点阵码库以得到相应的点阵码．Ｃ５１并行输出点阵码，ＣＰＬＤ　将接收的点阵码串行输出到ＤａｔａＨ　和ＤａｔａＬ，并为点阵显示屏提供同步移位脉冲信号Ｓｃｋ．

　　点阵显示板的部分外围电路是用ＣＰＬＤ设计的，ＣＰＬＤ（ｃｏｍｐｌｅｘ　ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｄｅｖｉｃｅ，复杂可编程逻辑电路）是在ＰＡＬ，ＧＡＬ等基础上发展起来的一种具有丰富的可编程Ｉ／Ｏ引脚的可编程逻辑器件，几乎所有应用门阵列、ＰＬＤ和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用ＣＰＬＤ器件．ＣＰＬＤ同以往的ＰＡＬ，ＧＡＬ等相比较，具有集成度高、在线可编程、使用方便灵活的特点，且性价比合理；不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能．ＣＰＬＤ的应用使硬件开发更加灵活，可减轻系统开发时的电路调试强度，缩短开发周期，同时在硬件设计上有一定的保密性．

　　ＣＰＬＤ芯片选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＭＡＸ７０００Ｓ系列器件ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４，它有１２８个逻辑宏单元，逻辑门数为２５００门，在ＭＡＸ＋ＰＬＵＳ　ＩＩ软件环境下，采用ＶＨＤＬ和原理图输入相结合的方法进行设计．设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、布局、布线、延时仿真生成配置文件，以４引脚的ＪＴＡＧ　接口方式通过ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ电缆对ＣＰＬＤ进行在线编程（ＩＳＰ），完成结构功能配置，实现其硬件功能，制成专用芯片．为了避免器件内的设计被他人复制和取出，可通过对ＭＡＸ７１２８Ｓ内部的一个保密位编程，对设计进行加密．当对器件重新编程时，保密位连同其他的编程数据均能擦除和重写．ＭＡＸ７０００系列是工业界中速度快的高集成度可编程逻辑器件系列．它的系统结构如图４所示．它们的输入寄存器的建立时间非常短，能提供多个系统时钟且有可编程的速度／功率控制．

　　４　ＣＰＬＤ的设计实现

　　ＣＰＬＤ设计为总线方式，所有的功能模块和指令控制器都挂在总线上，ＡＴ８９Ｃ５１通过ＡＬＥ，ＣＳ，ＲＤ，ＷＥ，Ｐ０口（数据地址复用），Ｐ２口（高地址）同芯片相连接，Ｃ５１可以通过读／写指令对访问．如图５所示，８根三态数据／地址复用总线，连接Ｃ５１的Ｐ０口，另有８根高地址总线连接Ｃ５１的Ｐ２口，实现Ｃ５１对ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８内部模块的读写操作．因为在项目中使用的是一个８×２的ＬＥＤ屏，每个８位移位寄存器对应一行ＬＥＤ显示模块．ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８内部包含两个８位移位寄存器，两个８位移位寄存器的地址空间分别为０ｘＡ０００图５　ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４同单片机接口原理图和０ｘＡ００１．对０ｘＡ０００和０ｘＡ００１两个地址的写入，就可以把点阵码锁存在两个８位移位寄存器中．移位控制端口的地址是０ｘＣ０００，Ｃ５１向０ｘＣ０００写入指令后，锁存在０ｘＡ０００和０ｘＡ００１两个移位寄存器的数据串行输出，并为点阵显示屏提供同步脉冲信号．在ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８里设计一个８位计数器，当移位寄存器移动８位后，计数器会通知移位控制单元结束移位，准备下移位的到来．ＡＤ０～　ＡＤ７是三态数据／地址复用总线，Ａ８￣Ａ１５是高８位地址总线，ＲＥＡＤ和ＷＲＩＴ是读写信号．

　　５　ＡＴ８９Ｃ５１的程序实现

　　图６是点阵显示控制板ＡＴ８９Ｃ５１的主程序．主程序开始初始化相应的软硬件，然后进入主循环，等待ＰＣ　Ｓｅｒｖｅｒ通过串口传送的数据．数据的接收和ＣＰＬＤ点阵缓存区的扫描触发程序都是Ｃ５１的中断程序．Ｃ５１通过中断１接收ＰＣＳｅｒｖｅｒ传送的数据，其主循环程序不断检查接收缓存区，如果接收到发给新的完整数据，就会根据数据查找点阵码库，并将新的点阵码写入ＣＰＬＤ点阵扫描缓存区，并触发新一轮的ＣＰＬＤ点阵扫描．ＣＰＬＤ点阵扫描缓存区是在ＲＡＭ　中内建的一块缓存数据区，其大小根据点阵显示屏确定，点阵显示屏的每个ＬＥＤ点对应内存中的一位．

　　将点阵扫描中的部分固化在ＣＰＬＤ中后，与Ｃ５１相配合提高了Ｃ５１的处理速度．Ｃ５１在将点阵码写入相应缓存区后，只要向ＣＰＬＤ发出扫描触发指令，具体的扫描工作将由ＣＰＬＤ硬件负责，点阵屏的扫描由Ｃ５１软件实现变为ＣＰＬＤ硬件实现，提高了扫描频率和Ｃ５１的处理能力．

　　６　结束语

　　由于功能强大、速度高、设计灵活等优点，ＣＰＬＤ在数字系统设计、通信领域、ＤＳＰ领域、计算机系统等领域有着越来越广泛的应用．点阵显示控制板引入ＣＰＬＤ集成了分离元件的设计，实现ＣＰＬＤ与单片机接口以及点阵扫描功能，同时ＣＰＬＤ的使用也分担了ＣＰＵ　的任务，并且ＣＰＬＤ可根据点阵屏的不同而更改设计，使得整个系统的性能以及灵活性在原有的电路上大幅度提高．

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