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摘 要：随着电子设计技术的发展，通过大规模可编程集成电路控制的LED显示屏的应用越来越广，通过FPGA控制LED显示屏的设计正以其高灵活性，高效率，低成本，低能耗等优点逐渐成为人们使用LED显示控制的主流设计方式。本设计是利用EDA技术，基于FPGA的基础上控制16*16的LED点阵汉字显示设计，在技术实现上相较其他简单并且易更改或升级，在熟悉VHDL代码及各功能的前提下，编写用于控制LED显示屏的程序代码及预先设定好的所需显示的汉字符号代码，通过Quartus II软件的编译仿真，在硬件电路上实现LED屏上的汉字滚动或循环显示。
关键词：FPGA VHDL 汉字显示
1.前言
1.1 概述
LED汉字显示屏如今在越来越多的场合有了广泛的应用，例如体育场馆中的大屏显示器，银行、广告、火车站包括很多小吃摊的宣传。LED汉字显示屏在未来将会有越来越多用武之地，并且呈现快速增长之势。
因此研究LED汉字显示的设计方法将具有很重要的理论及现实的意义。
基于FPGA的LED_16*16点阵汉字显示设计是通过EDA技术控制LED显示屏的工作，达到预期的设计目的。之所以基于FPGA的设计是因为现场可编程门阵列（FPGA）设计的周期小，灵活度较高，适合用于较小的批量系统，能够提高系统的可靠性和集成度，并且采用了编写灵活的VHDL语言编写主程序。此文正是基于对FPGA及LED的了解下，通过可编程门阵列控制16*16的LED汉字显示。显示的汉字字符是预先设定好的，将汉字显示内容翻译成程序代码，通过FPGA编译显示出来，需要另外增加或修改字符与图形可以通过16*16汉字字符生成器翻译成代码语言，然后植入程序内编译仿真，最后下载至实际硬件电路中循环显示预先设定的字符。
1.2 总体设计
1.2.1 设计任务
本次设计需要达到的效果是在16*16的LED显示屏上显示出“成、都、理、工、大、学、欢、迎、您”九个汉字，使用FPGA设计控制LED显示屏循环显示这九个汉字。
1.2.2 设计方案
（1）设计一个32进制计数器用于循环显示九个汉字，每个汉字的显示时间为1s。
（2）设计一个16进制计数器用于控制行和列驱动控制器的输出数据。
（3）设计一个列驱动控制器。
（4）设计一个行驱动控制器。
（5）将所有分块设计组合成一个“元器件”并下载至硬件电路中显示九个不同的汉字。
方案：每次显示一个汉字，一秒钟后刷新显示第二个汉字，然后一秒后刷新显示第三个汉字，依次刷新显示所有汉字。
1.3LED点阵显示特点
（1）可以用于显示各种文字、数字、图表、曲线、图形；
（2）采用纯红、高绿作双基色的发光器件，发光亮度高，色彩鲜艳、丰富；
2.软件的设计与仿真
2.1LED的显示原理
16×16扫描LED点阵汉字显示的工作原理与8位扫描数码管类似。LED点阵有16个端口，每个阴极端口又有16个LED灯，所以一共16*16个LED灯，其译码地址通过4位列信号线（SEL0-SEL3）控制，其汉字扫描码由16位段地址（0-15）输入。通过时钟信号的每列扫描完整的显示汉字。
点阵LED采用扫描的方式显示，实际运用时分为三种：点扫描、行扫描、列扫描。
使用点扫描模式时，其频率必须较大，周期应小于1ms才能符合人眼视觉停留要求。而对于行扫描和列扫描，其扫描频率则必须大于128Hz，那么周期需要比7.8ms小，才符合要求，使得LED显示灯在人眼中能显示一个完整的汉字。另外，在驱动一整行（列）LED灯时，激励电流必须足够大才能保证LED灯有足够的亮度，否则会出现LED灯亮度不足而模糊的状态。
2.2計数器的设计
2.2.132进制计数器的设计与仿真
COUNT32.vhd是设计的32进制的计数器，每当计数器加一，计一个数，然后输出下一个字。例如，当计数为“00000B”时显示“成”，当计数为“00001B”时显示“都”等。给定的脉冲周期为1s。程序描述如下：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；
ENTITY COUNT32 IS
PORT（ CLK1： IN STD_LOGIC；
QOUT ： OUT STD_LOGIC_VECTOR（4 DOWNTO 0））；
END ENTITY COUNT32；
ARCHITECTURE BEHV OF COUNT32 IS
SIGNAL CQI ： STD_LOGIC_VECTOR（4 DOWNTO 0）；
BEGIN
PROCESS（CLK1）
BEGIN
IF （CLK1'EVENT AND CLK1='1'） THEN
CQI<=CQI+1；
END IF；
QOUT<=CQI；
END PROCESS；
END ARCHITECTURE BEHV；
每当CLK1给一个脉冲时，输出值为前一个输出值加一，直至计数至32。例如，24ns时输出为00010，24ns后变为00011，较前数值加一，因此该模块满足设计要求。
2.2.216进制计数器的设计与仿真
COUNT16.vhd是设计的16进制的计数器，其输出端用于控制行驱动和列驱动控制器的输出数据，程序从略。 如图所示为16进制计数器的时序仿真图，每當CLK1给一个脉冲时，输出值为前一个输出值加一，直至计数至16。例如，当时间为24.425ns时的输出为2，当基于时钟脉冲CLK1后，即24.425ns后输出为3，较前数值加一，因此该模块满足设计要求。
2.3 列驱动设计与仿真
ROWCON.vhd为行驱动控制器，该模块控制所亮的行，当输出为0001H时，给点阵的第一行高电平，输出为0010H时，给点阵的第二行高电平，依次类推，逐次给每行高电平。
2.4 行驱动设计与仿真
XIANSHI.vhd为列驱动控制器，SHI控制的是所显示的字。例如，当SHI为00H时，表示显示第一个字；当SHI为01H时，表示显示第二个字，依次类推。WEI控制显示汉字的每一行的信息，例如当WEI为0000B时，表示的是输出字的第一行的文字信息；当WEI为0001B时，表示的是输出字的第二行的文字信息，依次类推。所需要显示的汉字分别是“成、都、理、工、大、学、欢、迎、您”，
2.5分块程序的组合与全程编译仿真
将32进制计数器，16进制计数器，行扫描模块，汉字字符扫描与显示模块组合，分别引出CLK（控制每个字的行扫描，扫描频率较高）、CLK1（控制显示字符的快慢，频率为1秒）为输入，ROW[3..0]（根据CLK进行每一列的扫描），Q[15..0]（表示每个字符各列的代码信息）为输出，这样就将所有的分块程序组合至含2个输入，2个输出的模块中。
3.软件的整体调试、编译与下载
3.1 子程序块的编译与仿真
在Quartus II中新建四个.vhd文件，分别命名为COUNT32、COUNT16、ROWCON、XIANSHI，分别编写程序，将程序编译后，分别新建四个.vwf的文件，用于对上诉四个子程序的时序仿真，待仿真正确结束后，全部保存在同一文件夹中。
3.2 子程序块的组合
将四个.vhd文件分别创建为一个元件，共有四个元件，将四个元件按照2.5.1原理组合图链接好后，命名为Block1.bdf，新建一个Block1.vwf文件，将组合元件编译，检查错误，进行全程的编译与仿真
3.3 程序下载结果展示
在16*16 LED显示屏中显示“成都理工大学欢迎您”，部分结果截取如下图所示，即完成了预定的设计任务。
参考文献：
[1]艾明晶.EDA设计实验教程.清华大学出版社，2014.
[2]乔庐峰、王志功.VHDL数字电路设计教程.电子工业出版社，2013.1
[3]张鹏、李曼义.基于FPGA和VHDL的LED点阵汉字滚动显示设计.信息技术，2009.12
关键词：FPGA VHDL 汉字显示
1.前言
1.1 概述
LED汉字显示屏如今在越来越多的场合有了广泛的应用，例如体育场馆中的大屏显示器，银行、广告、火车站包括很多小吃摊的宣传。LED汉字显示屏在未来将会有越来越多用武之地，并且呈现快速增长之势。
因此研究LED汉字显示的设计方法将具有很重要的理论及现实的意义。
基于FPGA的LED_16*16点阵汉字显示设计是通过EDA技术控制LED显示屏的工作，达到预期的设计目的。之所以基于FPGA的设计是因为现场可编程门阵列（FPGA）设计的周期小，灵活度较高，适合用于较小的批量系统，能够提高系统的可靠性和集成度，并且采用了编写灵活的VHDL语言编写主程序。此文正是基于对FPGA及LED的了解下，通过可编程门阵列控制16*16的LED汉字显示。显示的汉字字符是预先设定好的，将汉字显示内容翻译成程序代码，通过FPGA编译显示出来，需要另外增加或修改字符与图形可以通过16*16汉字字符生成器翻译成代码语言，然后植入程序内编译仿真，最后下载至实际硬件电路中循环显示预先设定的字符。
1.2 总体设计
1.2.1 设计任务
本次设计需要达到的效果是在16*16的LED显示屏上显示出“成、都、理、工、大、学、欢、迎、您”九个汉字，使用FPGA设计控制LED显示屏循环显示这九个汉字。
1.2.2 设计方案
（1）设计一个32进制计数器用于循环显示九个汉字，每个汉字的显示时间为1s。
（2）设计一个16进制计数器用于控制行和列驱动控制器的输出数据。
（3）设计一个列驱动控制器。
（4）设计一个行驱动控制器。
（5）将所有分块设计组合成一个“元器件”并下载至硬件电路中显示九个不同的汉字。
方案：每次显示一个汉字，一秒钟后刷新显示第二个汉字，然后一秒后刷新显示第三个汉字，依次刷新显示所有汉字。
1.3LED点阵显示特点
（1）可以用于显示各种文字、数字、图表、曲线、图形；
（2）采用纯红、高绿作双基色的发光器件，发光亮度高，色彩鲜艳、丰富；
2.软件的设计与仿真
2.1LED的显示原理
16×16扫描LED点阵汉字显示的工作原理与8位扫描数码管类似。LED点阵有16个端口，每个阴极端口又有16个LED灯，所以一共16*16个LED灯，其译码地址通过4位列信号线（SEL0-SEL3）控制，其汉字扫描码由16位段地址（0-15）输入。通过时钟信号的每列扫描完整的显示汉字。
点阵LED采用扫描的方式显示，实际运用时分为三种：点扫描、行扫描、列扫描。
使用点扫描模式时，其频率必须较大，周期应小于1ms才能符合人眼视觉停留要求。而对于行扫描和列扫描，其扫描频率则必须大于128Hz，那么周期需要比7.8ms小，才符合要求，使得LED显示灯在人眼中能显示一个完整的汉字。另外，在驱动一整行（列）LED灯时，激励电流必须足够大才能保证LED灯有足够的亮度，否则会出现LED灯亮度不足而模糊的状态。
2.2計数器的设计
2.2.132进制计数器的设计与仿真
COUNT32.vhd是设计的32进制的计数器，每当计数器加一，计一个数，然后输出下一个字。例如，当计数为“00000B”时显示“成”，当计数为“00001B”时显示“都”等。给定的脉冲周期为1s。程序描述如下：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；
ENTITY COUNT32 IS
PORT（ CLK1： IN STD_LOGIC；
QOUT ： OUT STD_LOGIC_VECTOR（4 DOWNTO 0））；
END ENTITY COUNT32；
ARCHITECTURE BEHV OF COUNT32 IS
SIGNAL CQI ： STD_LOGIC_VECTOR（4 DOWNTO 0）；
BEGIN
PROCESS（CLK1）
BEGIN
IF （CLK1'EVENT AND CLK1='1'） THEN
CQI<=CQI+1；
END IF；
QOUT<=CQI；
END PROCESS；
END ARCHITECTURE BEHV；
每当CLK1给一个脉冲时，输出值为前一个输出值加一，直至计数至32。例如，24ns时输出为00010，24ns后变为00011，较前数值加一，因此该模块满足设计要求。
2.2.216进制计数器的设计与仿真
COUNT16.vhd是设计的16进制的计数器，其输出端用于控制行驱动和列驱动控制器的输出数据，程序从略。 如图所示为16进制计数器的时序仿真图，每當CLK1给一个脉冲时，输出值为前一个输出值加一，直至计数至16。例如，当时间为24.425ns时的输出为2，当基于时钟脉冲CLK1后，即24.425ns后输出为3，较前数值加一，因此该模块满足设计要求。
2.3 列驱动设计与仿真
ROWCON.vhd为行驱动控制器，该模块控制所亮的行，当输出为0001H时，给点阵的第一行高电平，输出为0010H时，给点阵的第二行高电平，依次类推，逐次给每行高电平。
2.4 行驱动设计与仿真
XIANSHI.vhd为列驱动控制器，SHI控制的是所显示的字。例如，当SHI为00H时，表示显示第一个字；当SHI为01H时，表示显示第二个字，依次类推。WEI控制显示汉字的每一行的信息，例如当WEI为0000B时，表示的是输出字的第一行的文字信息；当WEI为0001B时，表示的是输出字的第二行的文字信息，依次类推。所需要显示的汉字分别是“成、都、理、工、大、学、欢、迎、您”，
2.5分块程序的组合与全程编译仿真
将32进制计数器，16进制计数器，行扫描模块，汉字字符扫描与显示模块组合，分别引出CLK（控制每个字的行扫描，扫描频率较高）、CLK1（控制显示字符的快慢，频率为1秒）为输入，ROW[3..0]（根据CLK进行每一列的扫描），Q[15..0]（表示每个字符各列的代码信息）为输出，这样就将所有的分块程序组合至含2个输入，2个输出的模块中。
3.软件的整体调试、编译与下载
3.1 子程序块的编译与仿真
在Quartus II中新建四个.vhd文件，分别命名为COUNT32、COUNT16、ROWCON、XIANSHI，分别编写程序，将程序编译后，分别新建四个.vwf的文件，用于对上诉四个子程序的时序仿真，待仿真正确结束后，全部保存在同一文件夹中。
3.2 子程序块的组合
将四个.vhd文件分别创建为一个元件，共有四个元件，将四个元件按照2.5.1原理组合图链接好后，命名为Block1.bdf，新建一个Block1.vwf文件，将组合元件编译，检查错误，进行全程的编译与仿真
3.3 程序下载结果展示
在16*16 LED显示屏中显示“成都理工大学欢迎您”，部分结果截取如下图所示，即完成了预定的设计任务。
参考文献：
[1]艾明晶.EDA设计实验教程.清华大学出版社，2014.
[2]乔庐峰、王志功.VHDL数字电路设计教程.电子工业出版社，2013.1
[3]张鹏、李曼义.基于FPGA和VHDL的LED点阵汉字滚动显示设计.信息技术，2009.12