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基于FPGA的16x16点阵LED显示屏设计与软件开发
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更新于2024-06-23
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本篇文档详细介绍了基于FPGA(Field-Programmable Gate Array,可编程门阵列)的点阵显示屏设计,特别是软件方面的内容。作为东华理工大学长江学院的毕业论文,研究者针对16×16点阵LED(Light Emitting Diode,发光二极管)电子显示屏进行了深入设计。核心控制器选用的是EP2C5T144C8N FPGA,该芯片以其灵活的逻辑功能和高速处理能力为基础,构建了整个显示屏的控制系统。 设计过程中,通过74HC154行驱动器和74HC595列驱动器实现了LED点阵的精确控制,这两者是电子显示屏的关键组件,负责将FPGA产生的信号有效地传输到每个LED像素上。16x16的显示模式是由四个8x8点阵LED模块拼接而成,这显示了设计者对硬件和软件集成的娴熟掌握。 值得注意的是,该设计采用了动态显示技术,这意味着数据仅在需要更新时更新,从而节省了电力并提高了显示效率。无论是显示文本还是单色图像,都能实现静态效果,体现了设计的实用性与高效性。此外,作者还遵循了严格的学术诚信原则,提交了原创性声明和使用授权说明,确保了设计的合法性和知识产权的尊重。 在整个设计过程中,学生可能经历了从原理分析、硬件选型、电路设计、软件编程,到系统调试的完整流程,展示了扎实的理论知识和实践技能。这篇论文不仅提供了硬件设计的技术细节,还包含了软件开发的关键步骤,对于希望了解FPGA在点阵显示屏设计中的应用以及相关软件开发的同学来说,具有很高的参考价值。
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Altera 公司已经成功地提高了 PLD 的销售份额,并且今后将继续这一趋势。“FPGA 和
PLD 供应商的关键目标不是简单地增加更多的原型客户,而是向大批量应用最终市场和
客户渗透。”John Daane 为 FPGA 产业指明了方向。
Xilinx 公司认为,ASIC SoC 设计周期平均是 14 个月到 24 个月,用 FPGA 进行开发
时间可以平均降低 55%。而产品晚上市六个月 5 年内将少 33%的利润,每晚四周等于
损失 14%的市场份额。因此,郑馨南雄心勃勃地预言:“FPGA 应用将不断加快,从面
向 50 亿美元的市场扩展到面向 410 亿美元的市场。”其中,ASIC 和 ASSP 市场各 150
亿美元,嵌入式处理和高性能 DSP 市场各 30 亿美元。
虽然没有像蒸汽机车发明之初备受嘲笑被讥讽为“怪物”,但是 FPGA 在诞生之初受
到怀疑是毫无疑问的。当时,晶体管逻辑门资源极为珍贵,每个人都希望用到的晶体管
越少越好。不过,Ross Freeman 挑战了这一观念,他大胆预言:“在未来,晶体管将变
得极为丰富从而可以‘免费’使用。”如今,这一预言成为现实。
“FPGA 非常适用于原型设计,但对于批量 DSP 系统应用来说,成本太高,功耗太
大。”这是业界此前的普遍观点,很长时间以来也为 FPGA 进入 DSP 领域设置了观念上
的障碍。而如今,随着 Xilinx 公司和 Altera 公司相关产品的推出,DSP 领域已经不再是
FPGA 的禁区,相反却成了 FPGA 未来的希望所在。
FPGA 对半导体产业最大的贡献莫过于创立了无生产线(Fabless)模式。如今采用这
种模式司空见惯,但是在 20 多年前,制造厂被认为是半导体芯片企业必须认真考虑的
主要竞争优势。然而,基于过去和关系和直接、清晰的业务模式,Xilinx 创始人之一
Bernie Vonderschmitt 成功地使日本精工公司(Seiko)确信利用该公司的制造设施来生
产 Xilinx 公司设计的芯片对双方都是有利的,于是,无生产线模式诞生了。
未来,相信 FPGA 还将在更多方面改变半导体产业!
1.2 FPGA 的应用
1.2.1 电路设计中 FPGA 的应用
连接逻辑,控制逻辑是 FPGA 早期发挥作用比较大的领域也是 FPGA 应用的基石.事
实上在电路设计中应用 FPGA 的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识
(电路知识)和软件应用能力(开发工具)这方面的人才总是紧缺的,往往都从事新技术,
新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来,通
用和专用 IP 的设计将成为一个热门行业!搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件
知识.在这个层面,干重于学,当然,快速入门是很重要的,越好的位子越不等人电路
开发是黄金饭碗.
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1.2.2 产品设计
把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯,视频,信息处理等等开发出满足行
业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是 FPGA 技术和专业技术的结合问题,另
外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品,前者重
点在性能,后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的,FPGA 技术是一个实
现手段在这个领域,FPGA 因为具备接口,控制,功能 IP,内嵌 CPU 等特点有条件实现
一个构造简单,固化程度高,功能全面的系统产品设计将是 FPGA 技术应用最广大的市
场,具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高,路途也比较漫长
不过现在整个行业正处在组建"首发团队"的状态,只要加入,前途光明产品设计是一种
职业发展方向定位,不是简单的爱好就能做到的!产品设计领域会造就大量的企业和企
业家,是一个近期的发展热点和机遇
1.2.3 系统级应用
系统级的应用是 FPGA 与传统的计算机技术结合,实现一种 FPGA 版的计算机系统
如用 Xilinx V-4, V-5 系列的 FPGA,实现内嵌 POWER PC CPU, 然后再配合各种外
围功能,实现一个基本环境,在这个平台上跑 LINUX 等系统这个系统也就支持各种标
准外设和功能接口(如图象接口)了这对于快速构成 FPGA 大型系统来讲是很有帮助的。
这种"山寨"味很浓的系统早期优势不一定很明显,类似 ARM 系统的境况但若能慢慢发
挥出 FPGA 的优势,逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中,开
发人员不具备系统的扩充开发能力,只是搞搞编程是没什么意义的,当然设备驱动程序
的开发是另一种情况,搞系统级应用看似起点高,但不具备深层开发能力,很可能会变
成爱好者,就如很多人会做网页但不能称做会编程类似以上是几点个人开发,希望能帮
助想学 FPGA 但很茫然无措的人理一理思路。这是一个不错的行业,有很好的个人成功
机会。但也肯定是一个竞争很激烈的行业,关键看的就是速度和深度当然还有市场适应
能力。
1.3 LED 的定义和特点
Light Emitting Diode,即发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转
化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,
另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,
一部分是 P 型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是 N 型半导体,在这边主要
是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个 P-N 结。当电流通过
导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向 P 区,在 P 区里电子跟空穴复合,然后
就会以光子的形式发出能量,这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,
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是由形成 P-N 结的材料决定的。
1、 LED 特点和优点 :
LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,它有着广泛的用途。
2、体积小 :
LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小,非常的轻。
3、耗电量低 :
LED 耗电非常低,一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V。工作电流是 0.02-0.03A。
这就是说:它消耗的电不超过 0.1W。
4、使用寿命长 :
在恰当的电流和电压下,LED 的使用寿命可达 10 万小时
5、高亮度、低热量
6、环保 :
LED 是由无毒的材料作成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时 LED 也可以回收
再利用。
7、坚固耐用 :
LED 是被完全的封装在环氧树脂里面,它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有
松动的部分,这些特点使得 LED 可以说是不易损坏的。
LED 发光技术的原理是某些半导体材料在通以电流的情况下会发出特定波长的光,
这种电到光的转换效率非常高,对所用材料进行不同的化学处理,就可以得到各种亮度
和视角。 LED 散发出电磁波(一种振动极高的频率),当这些波达到 380nm
(nanometer)以上及在 780nm 以下,在这中间的波长是可见光,一种能被人的眼睛
看到的可视光。LED 是一种非常有用及有效率的光源,它的光学构造体实在已将发出的
光几无损失的集合起来,经狭小的结构投射出来,它的颜色是根据它使用的半导体成份
造成,目前大约有红、黄、绿及白光等等。
1.4 LED 简介
LED 电子显示屏是由几万至几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用
不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了。LED
显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像;不仅可以用于室内环境还可以用于室外
环境,具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
LED 显示屏显示画面色彩鲜艳,立体感强,静如油画,动如电影,广泛应用于车站、
码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理
和其它公共场所。在我国改革开放之后,特别是进入 90 年代国民经济高速增长,对公
众场合发布信息的需求日益强烈,LED 显示屏的出现正好适应了这一市场形势,因而在
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