基于CPLD的频谱电平显示电路设计与实现

　　摘要：本文基于VHDL硬件描述语言,利用CPLD器件EPM570T100C5和LED点阵屏实现了对音频信号的频谱显示,给出了设计过程、VHDL语言源程序和实验结果,拓展了CPLD在显示领域的应用。

　　1．引言

　　LED点阵显示屏具有醒目、动态效应好、省电节能、亮度较高、用途广等优点，是现代 化城市的主要标志之一。笔者利用VHDL硬件描述语言设计了以CPLD器件为的控制电路, 在LED点阵屏上实现了音频信号的频谱型电平动态显示, 而且具有显示模式多样化、易编程 修改，颜色可变、动态效果好等优点。

　　2．系统组成

　　本设计所用的EPM570T100C5采用了Altera公司的MAXII (Multiple Array Matrix II) 系列器件作为目标CPLD，采用双色8*8LED点阵作为终端显示器件，配合一些必需的外围器件 和电路，实现了对音频信号的选频、AD转换、各频段的电平显示模式控制、终实现了音频 信号的频谱型电平的动态显示。本系统的基本组成如图1所示：

　　2．1 音频输入与预处理模块

　　由于本设计采用8个频段电平显示，因此，笔者对音频信号进行了8个中心频率分别为 100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz、3000Hz、6000Hz、12000Hz的带通电路的选频处理， 经电压保持电路后送至以ADC0809为的八通道8位输出数模转换电路，由于ADC0809具有 八个输入通道，受CPLD输出的列选信号控制，从而实现了LED的八根列选线（共阴极）分别 对应音频信号的8个中心频率，为频谱型电平显示实现了列选扫描控制。

　　由于列选信号的切换频率设定为200Hz，即频段切换周期为5ms，ADC0809 完够胜 任音频信号各频段直流电平的A/D 转换处理，因此，ADC0809 一直处于主动转换状态，无需 接受CPLD 芯片的转换控制。

　　2．2 控制模块

　　本设计的模块采用Altera公司的CPLD器件，型号为EPM570T100C5，它基于突破性的 CPLD架构，提供业界所有CPLD系列中单个I/O管脚成本和功耗。这些器件采用新的 查表(LUT)体系，采用TSMC的0.18μm嵌入Flash工艺，使其裸片尺寸仅为同样工艺器件的1/4， 而且包括非易失性Flash存储模块和JTAG控制电路。

　　本电路采用12MHz的有源晶振，为CPLD提供主时钟。EPM570T100C5芯片主要集成了分频、 列选扫描、按键去抖、数字电平信号的线性比较、显示模式控制、显示数据ROM等功能模块。

　　分频电路对12MHz时钟信号进行分频处理后得到200Hz的列选计数脉冲，送至74HC138译 码器的输入端和ADC0809的通道地址选择控制端，实现8*8LED点阵的列扫描动态控制和 ADC0809的通道选择控制。

　　按照人眼的视觉习惯，线性比较电路主要负责将A/D转换后的8位数据电平信号（共256 个组态）转换为8个梯级的数据信号，经显示模式控制电路处理后作为地址数送至显示数据 ROM，从而直接调用ROM中寄存的显示模式数据。

　　2．3 输出与显示模块

　　本设计采用双色（红色和绿色）8*8LED 点阵作为终端显示器件，在CPLD 的ROM 数据控 制下，8*8LED 点阵的每个像素点能产生红色、绿色、$（红绿混合色），能够再现颜色 的多样化。

　　由于一般的I/O 的驱动能力是有限的，CPLD 中的ROM 输出的显示数据需要经过驱动电 路后送至8*8LED 点阵的行选端（阳极），列选线（阴极）则受74HC138 输出的低电平译码 信号的控制。

　　3．软件设计

　　本设计采用Altera 公司的Quartus II 7.0 (32-Bit)集成开发系统，它具有简洁、合 理的操作界面，多语言支持的环境及其高效代码生成编译内核使得所有的设计输人、编译、 综合和仿真都可以在项目管理器中完成。另外，QuartusⅡ7.0 (32-Bit)支持几乎所有的FPGA 和CPLD 芯片，与MATLAB 和DSP Builder 结合可以进行基于FPGA 的DSP 系统开发，是DSP 硬件系统实现的关键EDA 工具，与SOPC Builder 结合，可实现SOPC 系统开发，是一款较受 用户欢迎的开发工具。

　　本文采用VHDL 语言作为硬件描述语言，采用自顶向下的层次化设计方法。为了突出各 模块之间的连接关系，顶层模块（Top.tdf）采用原理图方式对各个功能模块进行综合和调 用，如图2 所示。

　　可以看出，软件设计的功能模块与系统组成中的模块非常接近。

　　3．1 分频与列选 扫描控制模块

　　分频模块的作用是将12MHz的有源晶振时钟信号通过软件设计的方法分频得到200Hz的 列选扫描时钟信号。 列选扫描控制模块的作用是设计一软件计数器，将200Hz内部信号转换为列选扫描信号 (SEL[2 downto 0])，仿真波形如图3所示。该信号送至74HC138以后能够动态选中LED点阵的 某一列（共阴极），送至A/D0809以后能够选择相应中心频率的音频信号进行数模转换。

　　3．2 按键去抖模块

　　去抖的基本思路是设计一个移动寄存器，移位脉冲的周期约为5ms，当按键输入的低电 平信号持续三个以上的脉冲周期时才输出一个低电平脉冲，达到去抖的目的。部分程序如下：

　　--****设计一个3位移位D寄存器****--

　　process(CLK_200Hz)

　　begin

　　IF(CLK_200Hz'EVENT AND CLK_200Hz='1')THEN

　　Q<=Keyin&Q(2 downto 1);

　　END IF;

　　end process;

　　flag<=Q(2) or Q(1) or Q(0);

　　Keyout<='0'when flag='0' else--如果连续3个CLK后Q仍为低电平，则输出低电平'1';

　　END a;

　　3．3 线性比较模块

　　由于A/D转换后的8位数据电平信号共有256个组态，而终端显示模块为8*8LED点阵， 8*8LED点阵的每列显示梯级多为8级，若加上全灭状态，8*8LED点阵的显示梯级状态共有9 种，因此，需要将A/D转换后的8位数据电平信号按照人眼的视觉习惯转换为9个梯级的数据 信号，本设计采用函数(function)的方法实现了信号转换功能，部分程序如下：

　　function DATA_YM (indata :std_logic_vector(7 downto 0))

　　return integer is

　　variable result :integer range 0 to 8;---比较函数输出begin

　　if indata<16 then result :=0;

　　elsif indata>=16 and indata<48 then

　　result :=1;

　　elsif indata>=48 and indata<80 then

　　result :=2;

　　elsif indata>=80 and indata<112 then

　　result :=3;

　　elsif indata>=112 and indata<144 then

　　result :=4;

　　elsif indata>=144 and indata<176 then

　　result :=5;

　　elsif indata>=176 and indata<208 then

　　result :=6;

　　elsif indata>=208 and indata<240 then

　　result :=7;

　　else

　　result :=8;

　　end if;

　　return result;

　　end function;

　　3．4 显示控制模块

　　本模块由显示模式控制、显示数据ROM模块组成。显示模式控制模块采用一个Process 进程语句循环定义了12种显示模式，具体显示的模式由按键按下的次数决定，即按键次数作 为内部计数信号，每种计数状态则对应一种ROM地址的起始值，从而实现了ROM地址能随按键 次数而变化的确定关系。

　　显示数据ROM模块将所有的显示模式数据以ROM表格数据的形式进行片内存储，以便根据 A/D转换后的数据信号直接调用该表格数据。本模块的功能仿真如图4所示：

　　结果表明，该模块能够根据不同的地址值输出相应的显示模式数据，经驱动电路后送至 LED点阵的16个阳极，能实现相应的显示模式的自动切换或按键输入切换。

　　4．实物调试

　　笔者利用北京R&C百科融创公司的EDA实验箱，通过扩展导线与外部电路进行连接，将程 序到芯片EPM570T100C5进行实物模拟调试，得到如图5所示的显示模式位图。

　　结果表明，本系统达到了设计要求，完成了音频信号的频谱型电平动态显示,具有正常 显示、倒影显示、单点显示、双点显示等四大类显示模式，每一大类显示模式又能实现单红 色、单绿色、$（红绿混合色）三种颜色的自动切换，动态视觉效果好等特点。

　　5．结论

　　本文基于VHDL硬件描述语言，利用CPLD器件EPM570T100C5和LED点阵屏实现了对音频信 号的频谱显示，并在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证，保证设计过程的 正确性，拓展了CPLD在显示领域的应用。若将设计思路进一步深入和扩展，则能完成更大屏 幕、更多像素的LED频谱显示，能够方便地应用于商店、商场、卡拉OK等公共场所的LED显示 区域，从而强化视觉效果。

  

参考文献:

[1]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2]. EPM570T100C5 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPM570T100C5_2528039.html.
[3]. ADC0809 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADC0809_123186.html.
[4]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[5]. 74HC138 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/74HC138_99213.html.