基于FPGA的LED显示控制系统的设计
摘要
PGA（现场可编程门阵列）是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它具有体系结构和逻辑单元灵活、开发周期短、可重复编程、集成度高以及适用范围宽等优点，已经在电子硬件开发与实现中扮演了重要的角色。
此课题的开展，是为了进一步加深对FPGA的理解以及熟悉如何利用FPGA进行开发工作，进一步研究基于FPGA的LED显示装置控制板的实现方法。首先，分析控制板对数据信号处理的原理，在此基础上将控制板的机能划分为九大模块。其次，对各模块的实现原理进行探讨，并利用Verilog HDL语言完成部分模块的设计，利用QuartusⅡ实现输入输出波形的仿真，验证设计的正确性。仿真结果与设计预期结果一致后，将程序下载到芯片FLEX10K，再通过外围电路驱动矩阵LED显示屏。
结果证明，软件仿真与设计预期很符合，实物LED的显示也基本满足设计规格，只是某些位置的显示会出现噪点。最后对自己的工作作出了总结，以及对日后工作的展望。
关键词：FPGA ；Verilog HDL ；LED显示控制板 ；数据处理 ；模块机能划分；波形仿真
第一章. 前言
1.1 研究背景
微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得现代电子系统的设计和应用进入了一个全新的时代。数字化是当今社会的主要特征之一。高性能但结构简单的电子技术产品已经成为了市场的主体。数字集成电路应用非常广泛，其发展从电子管、晶体管、小规模集成SSI、MSI、LSI、VLSI(几万门以上)到超大规模集成电路ULSI和超位集成电路GSI，其规模几乎平均每一年～两年翻一番。集成电路的发展大大促进了EDA的发展，先进的EDA已从传统的“自下而上”的设计方法改变为“自上而下”的设计方法。PLD是可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）的英文缩写，是一种数字集成电路的半成品，在其芯片上按一定排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可利用某种开发工具对其进行加工，即按设计要求将这些片内元件连接起来，使之完成某个逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路 。
现在应用最广泛的PLD主要是复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device），现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）和可擦除可编程逻辑器件EPLD（Erasable Programmable Logic Device）。
LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的英文缩写。它是一种给它一定电压，便会发出光亮的半导体，它的光产生方式是近乎日光灯和气体放电式灯。LED是一种非常有用及有效率的光源，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。LED显示屏（LED panel）是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。作为一项高新科技产品正引起人们的高度重视，它以其动态范围广，亮度高，寿命长，工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者，现已广泛应用于广告、证券、交通、信息发布等各方面，且随着全彩屏显示技术的日益完善，LED显示屏有着广阔的市场前景。
本毕业设计以研究FPGA为主，只完成LED显示装置的控制板。FPGA使用的是ALTERA的FLEX10K。
1.2 CPLD / FPGA的用途
CPLD / FPGA能做什么？可以毫不夸张地讲，CPLD / FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用CPLD / FPGA来实现。CPLD / FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法或硬件描述语言（如Verilog HDL和VHDL）自由地设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在PCB（电路印制板）完成以后，还可以利用CPLD / FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用CPLD / FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性 。
目录
摘要 I
Abstract II
第一章. 前言 - 1 -
1.1 研究背景 - 1 -
1.2 CPLD / FPGA的用途 - 2 -
1.3 CPLD与FPGA的比较 - 2 -
1.3.1结构 - 3 -
1.3.2集成度 - 3 -
1.3.3适合结构 - 3 -
1.3.4功率消耗 - 3 -
1.3.5速度 - 3 -
1.3.6编程方式 - 4 -
1.4 硬件描述语言概述 - 6 -
1.5 Verilog HDL概述 - 7 -
1.6 关于Quartus II - 7 -
第二章. 系统总体设计 - 9 -
2.1 系统 - 9 -
2.2 系统内部接口 - 10 -
2.3 LED显示屏 - 10 -
2.4 输入信号 - 10 -
2.5 LED驱动信号 - 11 -
2.6 输出信号 - 11 -
2.7 输入输出信号表 - 12 -
2.8 时序图 - 13 -
2.9 机能概要 - 13 -
第三章. 模块机能 - 16 -
3.1 输入接口部 - 16 -
3.1.1 内部模式图 - 17 -
3.1.2 时序图 - 19 -
3.1.3 仿真结果 - 20 -
3.2 存储器写入控制部 - 20 -
3.2.1 内部模块图 - 21 -
3.2.2 时序图 - 23 -
3.2.3 仿真结果 - 24 -
3.3 存储器读出控制部 - 25 -
3.3.1 内部模式图 - 25 -
3.3.2 时序图 - 26 -
3.3.3 仿真结果 - 27 -
3.4 动态控制部 - 28 -
3.4.1 内部模式图 - 29 -
3.4.2 时序图 - 30 -
3.4.3 仿真结果 - 32 -
3.5 SEL部 - 32 -
3.5.1 内部模式图 - 32 -
3.5.2 仿真结果 - 34 -
3.6 存储器部 - 34 -
3.6.1 内部模式图 - 34 -
3.6.2 时序图 - 35 -
3.6.3 FLEX10K内存部 - 36 -
3.7 DRIVE - 37 -
3.8 OSC - 39 -
3.9 RST - 40 -
第四章. 数据处理 - 41 -
4.1 收发信息 - 42 -
4.2 向存储器部的写入 - 43 -
第五章. 矩阵LED - 44 -
5.1 规格 - 44 -
5.2 构造 - 44 -
第六章. 综合仿真与硬件测试 - 47 -
6.1 综合仿真 - 47 -
6.2 测试程序思想 - 50 -
6.3 程序中要注意的地方 - 51 -
6.4 测试 - 51 -
6.5 测试总结 - 51 -
第七章. 总结与展望 - 52 -
7.1 总结 - 52 -
7.2 展望 - 52 -
参考文献 - 54 -
致 谢 - 56 -
附 录 - 57 -
参考文献
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