VHDL/EDA实习报告
设计题目：基于FPGA的8*8点阵汉字滚动显示
目录
FPGA设计的特点 (2)
设计任务与要求 (3)
设计原理 (3)
LED点阵原理 (3)
汉字的存储 (5)
字符样式设计 (7)
开发环境介绍 (13)
FPGA设计的特点
FPGA 通常被认为是ASIC 实现的一种替代手段. 一般ASIC 包括三种, 既全定制、半定制(含标准单元和门阵列) 以及可编程器件。对于前两种, 需要支付不可重复使用的工程费用NRE (Non recurring Engineering) , 主要用于芯片的流片、中测、分析的工程开销, 一次费用一般在 1 万至数万美元以上。如果一次不成功、返工、甚至多次返工,NRE 费用将要上升。成本高、风险大, 而通常对每个ASIC 品种的需求量往往不大,NRE 费用分摊到每个产品上价太高, 用户无法接受。而对于可编程器件PLD (Programmable Logic Device) 正是可以解决上述问题的新型ASIC, PLD 以其操作灵活、使用方便、开发迅速、投资风险小等突出优点, 特别适合于产品开发初期、科研样品研制或小批量的产品. FPGA 是一种新型的PLD, 其除了具有PLD 的优点外, 其规模比一般的PLD 的规模大。目前,Xilinx 推出的XC4025 可以达到25000 门的规模,Altera 公司的FLEX10K100 系列芯片可达到十万门的规模,完全可以满足用户的一般设计需要。
FPGA 的主要特点是: 寄存器数目多, 采用查找表计数,适合时序逻辑设计。但是互连复杂, 由于互连采用开关矩阵,因而使得延时估计往往不十分准确。
FPGA 也有其自身的局限性, 其一就是器件规模的限制,其二就是单元延迟比较大。所以, 在设计者选定某一FPGA器件后, 要求设计者对器件的结构、性能作深入的了解, 在体系结构设计时, 就必须考虑到器件本身的结构及性能, 尽可能使设计的结构满足器件本身的要求. 这样就增加了设计的难度。
离开对FPGA 结构的详细了解, 设计人员就不可能优化设计。因而设计人员必须了解FPGA 器件的特性和限制, 熟悉FPGA 的结构。
在了解FPGA 结构特点的基础上, 就可以利用VHDL 语言描写出高效的电路描述实现性能优化的电路。
设计的主要工作
本设计需要利用EDA工具软件QuartusII编写并调试系统的VHDL程序。并且每一个模块都在这个软件下进行了仿真。系统的VHDL程序编好过后先在实验室的EDA实验箱上下载调试，成功过后再根据电路焊接相应的电路板。最好将程序下载到制好的电路上验证。
设计任务与要求
（1）在8*8LED发光二极管点阵上由右至左的方向滚动显示多个汉字
(2）使用FPGA芯片实现硬件设计，并提供后置配置方案
（3）建立描述滚动显示多汉字信息原理的数学模型。
输出预定义“北华电子”
设计原理
LED点阵原理
以下为8×8点阵LED外观及引脚图及其等效电路，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。
图3.1 8×8点阵LED外观图
图3.2 8×8点阵LED等效图
点阵LED扫描法介绍
点阵LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式：
（1）点扫描
（2）行扫描
（3）列扫描
若使用第一种方式，其扫描频率必须大于16×64=1024Hz，周期小于1ms 即可。若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16×8=128Hz，周期小于7.8ms 即可符合视觉暂留要求。此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。
8×8扫描LED点阵的工作原理同8位扫描数码管类似。它有8个共阴极输出端口,每个共阴极对应有8个LED显示灯，所以其扫描译码地址需3位信号线（SEL0-SEL2），其汉字扫描码由16位段地址（0-8）输入。通过时钟的每列扫描显示完整汉字。
设计方案
方案一
8×8扫描LED点阵只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X 轴或Y轴。它有8个共阴极输出端口，每个共阴极对应有8个LED显示灯。本实验就是要通过芯片产生读时序，将字形从寄存器中读出，然后产生写时序，写入8×8的点阵，使其扫描显示输出。为了显示整个汉字，首先分布好汉字的排列，以列给出汉字信息（从8个Y轴线输入字模信息）；然后以128HZ的时序逐个点亮每一行（行扫描），即每行逐一加高电平，根据人眼的视觉残留特性，使之形成整个汉字的显示。
LED点阵每个点都有一个红色的发光二极管。点阵内的二极管间的连接都是行共阳，列共阴（要点亮的二极管给出低电平字模信息）。本实验采用共阴，当二极管的共阳极为高电平，共阴极为低电平时，所接点发光；反之处于截止状态，不放光。本实验采取行扫描方式，用列给文字信息，利用周期为1s的脉冲来控制所显示的字。
汉字的存储
用动态分时扫描技术使LED点阵模块显示图像，需要进行两步工作。第一步是获得数据并保存，即在存贮器中建立汉字数据库。第二步是在扫描模块的控制下，配合行扫描的次序正确地输出这些数据。获得图像数据的步骤是，先将要显示的每一幅图像分成8×8共64个小方格的矩形框中，再在有笔划下落处的小方格里填上“1”，无笔划处填上“0”，这样就形成了与这个汉字所对应的二进制数据在该矩形框上的分布，再将此分布关系以32×16的数据结构组成64个字节的数据，并保存在只读存贮器ROM中。以这种方式将若干个汉字的数据贮存在存贮器内，就完成了图像数据库的建立工作。
