基于CPLD的LED點陣頻譜型電平顯示電路設計與實現(xiàn).docVIP

基于CPLD的LED點陣頻譜型電平顯示電路設計與實現(xiàn)龍安國（永州職業(yè)技術學院 湖南 永州 425100）摘 要:本文基于VHDL硬件描述語言，利用CPLD器件EPM570T100C5和LED點陣屏實現(xiàn)了對音頻信號的頻譜顯示，給出了設計過程、VHDL語言源程序和實驗結果，拓展了CPLD在顯示領域的應用。關鍵詞:CPLD；LED點陣；頻譜顯示；VHDL語言The Design and Realization of a Display Circuit for the DC level of LED Array Frequency Spectrogram Based on CPLDLONG An-guo (Yongzhou Vocational-Technical College, Yongzhou Hunan 425100)Abstract: Base on VHDL hardware descriptive language, this paper realizes Frequency spectrogram display of the signal of audio frequency by using the Component EPM570T100C5 OF CPLD and LED Array, providing the designing process, VHDL language procedure and the result of Experiment, and expanding the application of CPLD in the displaying field.Key words:CPLD; LED Array; Frequency Spectrogram display; VHDL language1引言LED點陣顯示屏具有醒目、動態(tài)效應好、省電節(jié)能、亮度較高等優(yōu)點，廣泛應用于商店、商場、學校、布告欄、廣告牌、汽車報站、公共場所提示、交通燈指示、個性化摩托車汽車裝飾等領域，是現(xiàn)代化城市的主要標志之一。筆者介紹了一種采用CPLD器件控制LED點陣屏完成音頻信號的頻譜型電平指示電路的設計方法。該系統(tǒng)基于可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）芯片，利用VHDL硬件描述語言設計系統(tǒng)核心控制部件,完成了音頻信號的頻譜型電平動態(tài)顯示, 而且具有顯示模式多樣化、易編程修改，顏色可變、動態(tài)效果好等優(yōu)點。2系統(tǒng)組成隨著電子技術的飛速發(fā)展，復雜可編程邏輯器件(CPLD)由于其自身的優(yōu)越性，其應用愈來愈廣泛.尤其是在一些批量不太大，更新?lián)Q代較快的產(chǎn)品中，CPLD(或FPGA)將會使其開發(fā)、生產(chǎn)過程大大加快，從而有效地提高了產(chǎn)品的競爭力。本設計所用的EPM570T100C5采用了Altera公司的MAXII (Multiple Array Matrix II)系列器件作為目標CPLD，采用雙色8*8LED點陣作為終端顯示器件，配合一些必需的外圍器件和電路，實現(xiàn)了對音頻信號的選頻、AD轉換、各頻段的電平顯示模式控制、最終實現(xiàn)了音頻信號的頻譜型電平的動態(tài)顯示。本系統(tǒng)的基本組成如圖2所示：顯示模式比較函數(shù)A/D選頻ROM顯示數(shù)據(jù)驅動LED點陣音頻CPLD列選Mode去抖74HC138分頻列選晶振至A/D圖2.021 音頻輸入與預處理模塊由于本設計采用8個頻段電平顯示，因此，筆者對音頻信號進行了8個中心頻率分別為100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz、3000Hz、6000Hz、12000Hz的帶通電路的選頻處理，經(jīng)電壓保持電路后送至以ADC0809為核心的八通道8位輸出數(shù)模轉換電路（8-Bit P Compatible A/D Converters with 8-Channel），由于ADC0809具有八個輸入通道，受CPLD輸出的列選信號控制，從而實現(xiàn)了LED的八根列選線（共陰極）分別對應音頻信號的8個中心頻率，為頻譜型電平顯示實現(xiàn)了列選掃描控制。ADC0809的邏輯功能如圖2.1所示，其中ADD_A、ADD_B、ADD_C三個輸入端由CPLD輸出的列選信號控制，實現(xiàn)音頻頻段的選擇控制，并與LED點陣的列選控制具有同步關系，ADC0809的通道與地址選擇線（A、B、C）的對應關系如表2.1所示。 圖2.1 表2.1由于列選信號的切換頻率設定為200Hz，即頻段切換周期為5ms，ADC0809完全能夠勝任音頻信號各頻段直流電平的A/D轉換處理，因此，ADC0809一直處于主動轉換狀態(tài)，無需接受CPLD芯片的轉換控制。22 核心控制模塊本設計的核心模塊采用Altera公司的CPLD器件，型號為EPM570T100C5，它基于突破性的CPLD架構，提供業(yè)界所有CPLD系列中單個I/O管腳最低成本和最小功耗。這些器件采用新的查表(LUT)體系，采用TSMC的0.18m嵌入Flash工藝，使其裸片尺寸僅為同樣工藝器件的1/4，而且包括非易失性Flash存儲模塊和JTAG控制電路。本電路采用12MHz的有源晶振，為CPLD提供主時鐘。EPM570T100C5芯片主要集成了分頻、列選掃描、按鍵去抖、數(shù)字電平信號的線性比較、顯示模式控制、顯示數(shù)據(jù)ROM等功能模塊。分頻電路對12MHz時鐘信號進行分頻處理后得到200Hz的列選計數(shù)脈沖，送至74HC138譯碼器的輸入端和ADC0809的通道地址選擇控制端，實現(xiàn)8*8LED點陣的列掃描動態(tài)控制和ADC0809的通道選擇控制。按照人眼的視覺習慣，線性比較電路主要負責將A/D轉換后的8位數(shù)據(jù)電平信號（共256個組態(tài)）轉換為8個梯級的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)顯示模式控制電路處理后作為地址數(shù)送至顯示數(shù)據(jù)ROM，從而直接調用ROM中寄存的顯示模式數(shù)據(jù)。23 輸出與顯示模塊本設計采用雙色（紅色和綠色）8*8LED點陣作為終端顯示器件，在CPLD的ROM數(shù)據(jù)控制下，8*8LED點陣的每個像素點能產(chǎn)生紅色、綠色、黃色（紅綠混合色），能夠再現(xiàn)顏色的多樣化。由于一般的I/O的驅動能力是有限的，CPLD中的ROM輸出的顯示數(shù)據(jù)需要經(jīng)過驅動電路后送至8*8LED點陣的行選端（陽極），列選線（陰極）則受74HC138輸出的低電平譯碼信號的控制。3軟件設計本設計采用Altera公司的Quartus II 7.0 (32-Bit)集成開發(fā)系統(tǒng)，它具有簡潔、合理的操作界面，多語言支持（包括圖形編輯輸入法，VHDL、Verilog HDL和AHDL的文本編輯輸入法，符號編輯輸入法，以及內(nèi)存編輯輸入法）的環(huán)境及其高效代碼生成編譯內(nèi)核使得所有的設計輸人、編譯、綜合和仿真都可以在項目管理器中完成。另外，Quartus7.0 (32-Bit)支持幾乎所有的FPGA和CPLD芯片，與MATLAB和DSP Builder結合可以進行基于FPGA的DSP系統(tǒng)開發(fā)，是DSP硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵EDA工具，與SOPC Builder結合，可實現(xiàn)SOPC系統(tǒng)開發(fā)，是一款較受用戶歡迎的開發(fā)工具。本文采用VHDL語言作為硬件描述語言，采用自頂向下的層次化設計方法。為了突出各模塊之間的連接關系，頂層模塊（Top.tdf）采用原理圖方式對各個功能模塊進行綜合和調用，如圖3.0所示。圖3.0可以看出，軟件設計的功能模塊與系統(tǒng)組成中的核心模塊非常接近。31 分頻模塊該模塊的作用是將12MHz的有源晶振時鐘信號通過軟件設計的方法分頻得到200Hz的列選掃描時鐘信號。32 列選掃描控制模塊該模塊的作用是設計一軟件計數(shù)器，將200Hz時鐘信號轉換為列選掃描信號(SEL2 downto 0)。本設計使用Quartus II 7.0 (32-Bit)集成開發(fā)系統(tǒng)中的波形輸入方式實現(xiàn)了本模塊的功能仿真，仿真波形如圖3.1所示：圖3.1結果表明，該模塊能夠產(chǎn)生正常的列選掃描控制信號，該信號送至74HC138以后能夠動態(tài)選中LED點陣的某一列（共陰極），送至A/D0809以后能夠選擇相應中心頻率的音頻信號進行數(shù)模轉換。33 按鍵去抖模塊去抖的基本思路是設計一個移動寄存器，移位脈沖的周期約為5ms，當按鍵輸入的低電平信號持續(xù)三個以上的脈沖周期時才輸出一個低電平脈沖，達到去抖的目的。部分程序如下：-*-設計一個3位移位D寄存器process(CLK_200Hz)beginIF(CLK_200HzEVENT AND CLK_200Hz=1)THENQ=Keyin&Q(2 downto 1);END IF;end process;flag=Q(2) or Q(1) or Q(0);Keyout=0when flag=0 else-如果連續(xù)3個CLK后Q仍為低電平，則輸出低電平1;END a;-*-34 線性比較模塊由于A/D轉換后的8位數(shù)據(jù)電平信號共有256個組態(tài)，而終端顯示模塊為8*8LED點陣，8*8LED點陣的每列顯示梯級最多為8級，若加上全滅狀態(tài)，8*8LED點陣的顯示梯級狀態(tài)共有9種，因此，需要將A/D轉換后的8位數(shù)據(jù)電平信號按照人眼的視覺習慣轉換為9個梯級的數(shù)據(jù)信號。筆者采用函數(shù)(function)的方法實現(xiàn)了信號轉換功能。function DATA_YM (indata :std_logic_vector(7 downto 0)return integer isvariable result :integer range 0 to 8;-比較函數(shù)輸出beginif indata=16 and indata=48 and indata=80 and indata=112 and indata=144 and indata=176 and indata=208 and indata240 then result :=7;elseresult :=8;end if;return result;end function;35 顯示模式控制模塊本設計采用一個Process進程語句循環(huán)定義了12種顯示模式，具體顯示的模式由按鍵按下次的次數(shù)決定。另外采用一個條件式并行賦值語句實現(xiàn)了按鍵次數(shù)與ROM地址值的轉換關系。部分程序如下：PROCESS (Mode)BEGINif Modeevent and Mode=1 thenif count8_2=11 then count8_2=0;elsecount8_2=count8_2+1;end if;end if;end process;-Address=DATA when count8_2=0 elseDATA+9 when count8_2=1 elseDATA+18 when count8_2=2 elseDATA+27 when count8_2=3 elseDATA+36 when count8_2=4 elseDATA+45 when count8_2=5 elseDATA+54 when count8_2=6 elseDATA+63 when count8_2=7 elseDATA+72 when count8_2=8 elseDATA+81 when count8_2=9 elseDATA+90 when count8_2=10 elseDATA+100;adress=conv_std_logic_vector(Address,7);本模塊的功能仿真波形如圖3.2所示（由于仿真時長較大，這里只摘抄部分波形）：圖3.2結果表明，隨著按鍵次數(shù)的變化，在芯片內(nèi)部能實現(xiàn)0B共12種計數(shù)狀態(tài)的計數(shù)信號，每種計數(shù)狀態(tài)則對應一種ROM地址的起始值，從而實現(xiàn)了ROM地址能隨按鍵次數(shù)而變化的確定關系。仿真波形表表本模塊設計達到預期的目的。36 顯示數(shù)據(jù)ROM模塊本設計將所有的顯示模式數(shù)據(jù)以ROM表格數(shù)據(jù)的形式進行片內(nèi)存儲，以便根據(jù)A/D轉換后的數(shù)據(jù)信號直接調用該表格數(shù)據(jù)。具體方法是：首先，執(zhí)行File |New，并在New窗中選擇Other files項，并選Memory Initialization File，創(chuàng)建擴展名為 .mif的存儲器初始化數(shù)據(jù)文件，如圖3.3所示。注意，表中的數(shù)據(jù)為相應的十進制數(shù)。圖3.3然后，執(zhí)行Tools | Megawizard Plud-In Manger命令，根據(jù)初始化數(shù)據(jù)文件（ROM_DATA.mif），創(chuàng)建存儲器的VHD文件（ROM_DATA.vhd）。本設計使用Quartus II 7.0 (32-Bit)集成開發(fā)系統(tǒng)中的波形輸入方式實現(xiàn)了本模塊的功能仿真，仿真波形如圖3.4所示（由于仿真時長較大，這里只摘抄部分波形）：圖3.4結果表明，該模塊能夠根據(jù)不同的地址值輸出相應的顯示模式數(shù)據(jù)，經(jīng)驅動電路后送至LED點陣的16個陽極，能實現(xiàn)相應的顯示模式的自動切換或按鍵輸入切換。4實物調試筆者利用北京R&C百科融創(chuàng)公司的EDA實驗箱，通過擴展導線與外部電路進行連接，將程序下載到芯片EPM570T100C5進行實物模擬調試，得到如圖4.0所示的顯示模式位圖。 (a)正常模式 (b)倒影模式 (c)單點模式 (d)雙點模式圖4.0結果表明，本系統(tǒng)達到了設計要求，完成了音頻信號的頻譜型電平動態(tài)顯示,具有正常顯示、倒影顯示、單點顯示、雙點顯示等四大類顯示模式，每一大類顯示模式又能實現(xiàn)單紅色、單綠色、黃色（紅綠混合色）三種顏色的自動切換，動態(tài)視覺效果好等特點。5結論CPLD是新型的可編程邏輯器件.其最大優(yōu)點為集成度高、工作速度快、價格低廉，以及其更廣的兼容性、更高的性價比、更方便的開發(fā)手段和更快的上市節(jié)奏。本文基于VHD