畢業設計(論文)-基于fpga的彩色點陣控制器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 位寄存器芯片數據寄存信號控制端； 13 腳移位寄存器使能作為輸入的數據顯示在顯示屏上，因為使能控制信號是低電平有效，為了使電路設計和在編寫程序簡單，把 13 腳直接 GND； 14 腳串行數據輸出端作為芯片級聯端，實現更多數據的級聯。 硬件電路總體設計實現 本課題設計用的是 88 的雙基色點陣屏，使用四塊點陣屏經過設計組合成的 1616 LED 點陣屏用來顯示漢字和圖片，所謂的 1616，是每一個漢字在縱、橫行各用 16 像素點的區域內顯示，滿足了本 次設計的要求。由于本次使用的點陣屏是雙基色的，所以要用 四個 74HC595 芯片通過級聯的方式控制十六列紅和十六列綠燈的亮滅，再用兩塊74HC138 芯片級聯的方式組合成 416 譯碼器對十六行進行控制。用兩片 74HC138 芯片的 4 腳和 6 腳相連對兩塊 74HC138 進行片選，而兩片 74HC138 芯片的八位輸出管腳與點陣 屏 的十六行的控制腳相連。由于本課題設計使用的雙基色點陣屏是共陽的接法，所以對點陣屏行控制輸出的數據進行取反，經過取反再輸出，輸出的數據就能對點陣屏依次進行某一行的控制。通過四片 74HC595 芯片上的 11 腳聯在一起，再加上 12 腳并聯。而四塊 74HC595 是通過 9 腳級聯十四腳實現了 32 位數據的輸入。所以通過 74HC595芯片的 9 腳、 11 腳和 12 腳組合在一起，就能對 LED 點陣屏的 16 列紅色和綠色的 LED燈的亮滅進行控制。 硬件電路制作過程 使用 protel 99 畫圖軟件畫硬件原理圖， protel 99 軟件是 ProklTechnology 公司開發的一款畫圖軟件 ， 它可以進行電路原理圖設計和單層或雙層印刷電路板設計 。 該軟件中的元器件的封裝是有限的，再加上現在市面上的器件的形狀各種各樣，在進行電路設計和PCB 電路圖設計時，必須先畫好相應的元器件封裝并更新到元器件庫當中，才能完成相應的設計 。 圖 為 硬件電路開發流程。 桂林電子科技大學信息科技學院畢業設計 (論文 )說明書 第 6 頁 共 41 頁 圖 硬件電路開發流程 （ 1） 設計原理圖：根據選用的 74HC138 和 74HC595 芯片的功能設計一款驅動控制電路。打開 protel 99 軟件新建一個原理圖文件，根據課題設計要求設計的原理圖，在左側的元器件庫中找到相應的元器件圖，按照一定的順序排列。排列好后，把相應的管腳連接，雙擊原理圖中器件圖，彈出對話框，如圖 所示，在 Footprint 選項中填入相應的元器 件封裝的名字。把每一個器件的封裝設定好后，更新 PCB，點擊設計標題欄下的子標題 ， 完成了電路圖 PCB 更新。 圖 封裝管腳設置 設計原理圖 設計 PCB 圖 轉印 PCB 腐蝕和打孔 焊接元器件 桂林電子科技大學信息科技學院畢業設計 (論文 )說明書 第 7 頁 共 41 頁 （ 2） 設計 PCB 圖：更新 PCB 圖后，對 PCB 圖進行設計，把器件進行布局，再根據自己的需要對電源線和信號線進行參數設置。設置 GND 和 VCC 線的線寬，再對其它線的線寬進行設置，并且要對焊孔和線的進行安全距離設置。一般 GND 和 VCC 的線寬比其它線要寬，這樣通電效果更好，線太細，很微小的一個斷開的地方人肉眼是很難看出來的，在對電路進行檢測的時候很難發現，給電路進行調試時帶來困難，而且通電信號不太好。設置好線寬后，再設置焊孔的大小，如果焊孔設置的太小，在打孔的時候會把銅邊打沒，焊接就非常困難。設置好這些后，開始進行布線，布線時要注意不要走直線。因為本課題設計的線路比較多，如果采用單面布局就有很多的跳線，所以選擇了制作雙面板布局的方式。 （ 3） 轉印 PCB：把設計的 PCB 原理圖打印時，要注意本課題設計制作的是雙層板，在打印頂層電路圖時，要對頂層電路進行鏡像處理，這樣做是為了把頂層電路的所用焊孔與地層電路焊孔對應，如果沒有對頂層電路進行鏡像處理，就不能使其對應。把打印好的地層 PCB 圖轉印到銅板上，需要高溫 轉印機進行轉印。再根據制作雙面板的步驟，在一面已經轉印好的電路板上，打幾個固定的孔 (至少三個點 )，再在頂層的 PCB 圖紙找到與電路板上對應的孔，用鐵絲穿過 PCB 圖紙中對應的孔，再穿過電路板上的孔。完成后，就固定 PCB 圖紙并把它放入高溫轉印機上轉印。 （ 4）腐蝕和打孔：完成后就開始腐蝕電路板，腐蝕后涂上松香，是為了防止氧化線路。腐蝕完后開始打孔，根據前面設置好的焊盤大小選用相應的打孔針打孔，在打孔時要注意對準焊盤的中心，不然會把焊盤打沒，這樣會給焊接帶來困難。雙面板進行對孔的時候是有偏差的，所以在打孔的時候需要 看焊孔是否有線連接。如果一面有線連接另一面沒有線連接，就對有線連接的那一面進行打孔，這樣能為焊接帶來方便。如果只針對一面打孔，由于轉印雙層電路圖產生的誤差，在打孔時，把另一面需要焊接的焊盤打掉，焊接困難。打孔完后，再一次確定焊孔是否去不都打了沒，確定無誤后才可進行下一步驟。 （ 5）焊接元器件：本次硬件制作的是雙面板，首先必須把所有兩面需要焊接的焊孔。對照原理圖，用鐵絲把每個兩面需要焊接的焊孔用鐵絲接好，對其進行焊接，在焊接時為了確保每個焊空都是導通的，焊接完一個必須用萬用表對其進行測試。焊完后，再對照原理圖 ，把相應的器件插入相應的位置，對器件進行焊接。要特別注意個個元器件的管腳的是否對應，確定無誤后才能開始焊接。 硬件行驅動控制模塊設計實現 本課題設計用到了兩片 74HC138 芯片控制 16 行的選通，查找相關資料并分析了該芯片的管腳功能。根據本課題設計的要求把兩片 74HC138 芯片通過級聯的方式連接：把第一片 74HC138 芯片 5 腳和 6 腳分別接 GND 和 VCC；第二片 74HC138 芯片的 4 腳和 5 腳接 GND；兩片 74HC138 芯片的 4 腳和 6 腳聯起引出一根輸入腳 D，其它三根腳為 A、 B、 C， 組合成 416 譯碼器，如 圖 所示。 桂林電子科技大學信息科技學院畢業設計 (論文 )說明書 第 8 頁 共 41 頁 圖 416 譯碼器 當給兩片 74HC138 組合設計出的 416 譯碼器 的 A 至 D 腳二進制編碼輸入端輸入 0至 15 的二進制值，通過兩片 74HC138 組合設計出的 416 譯碼器 通過譯碼，就能對 LED顯示屏的十六行進行控制。如圖 所示，想要先讓 U21 進行譯碼，給 D 置 0 就可以對其進行譯碼控制。想要讓 U22 進行譯碼，給 D 置 1，就可以對其進行譯碼控制。結合 A、B、 C 三根二進制輸入端賦值，再結合設計的反相器電路，如圖 所示 。就可以完整的控制共陽點陣屏的十六行的掃描。 VCC Vin RL GND 圖 反相器電路圖 當給 B 極 Vin 輸入端一個高電平，由于三極管的 E 極接 VCC 是的三極管不能導通，當在 E 極和 B 極之間加上一個很大的上拉電阻，通過上拉電阻的作用把 B 極的高電平變為低電平，從而使得三極管處于導通狀態，使得接在 LED 顯示屏上的 C 極輸出低電平。反之，則輸出低電平。 本課題設計使用的點陣顯示屏是共陽的接法，所以還需要設計一款反相器電路（如圖 所示 ）對譯碼器輸出的數據進行取反。通過反 相器電路與 74HC138 芯片的結合才能使得顯示屏顯示并對其行進一行一行的控制， 表 為兩片 74HC138 芯片結合反相器電路輸出的真值表。 RL 接的是 LED 的引腳 桂林電子科技大學信息科技學院畢業設計 (論文 )說明書 第 9 頁 共 41 頁 表 兩片 74HC138 芯片結合反相器輸出的 真值表 硬件列驅動控制模塊設計實現 本課題設計使用四片 74HC595 芯片并行輸出 32 位數據用于控制 16 列紅燈和 16 列綠燈的亮滅，通過查找相關資料對該芯片的管腳功能進行分析。根據本課 題設計的設計要求把四片 74HC595 芯片通過級聯的方式連接：四片 74HC595 芯片的 11 腳聯在起引出一根移位時鐘輸入腳 SCK；四片 74HC595 芯片的 12 腳聯在起引出一根存儲器鐘輸入腳RCK；第一片芯片的 9 腳和第二片的 14 腳相連，第二片芯片的 9 腳和第三片的 14 腳，第三片芯片的 9 腳和第四片的 14 腳相連。相連組合成對 32 位數據的移位寄存器，接法如圖 所示。 A B C D Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 桂林電子科技大學信息科技學院畢業設計 (論文 )說明書 第 10 頁 共 41 頁 圖 32 位數據的移位寄存器 當給 14 腳輸入 32 位串行數據后，給以為控制信號 SCK 輸入一個高電平，通過調用延時程序， 32 位數據通過移位控制信號， 分別移入四片 74HC595 芯片中。數據移完后，給寄存控制信號 RCK 一個高電平把 32 位數據進行鎖存，通過 13 腳使能控制信號端接 GND 就 把數據并行輸出。 點陣屏模塊設計實現 隨著科技的進步和迅速發展，使得半導體材料的制造技術和對半導體材料加工技術的不斷成熟和完善，從而在制造各種不同的半導體材料越來越容易，使得 LED 顯示屏的種類很多，從型號到種類再到像素的大小。目前，在市場上見到的 LED 點陣屏有單基色和雙基色、三基色。顯示屏用紅、綠、藍作為制作顯示屏顏色的基礎，在軟件的控制下，使用一種特定的控制方式可以使 雙基色顯示屏和三基色顯示屏顯示出很多種不同的顏色。三基色顯示屏可顯示由黑到白的可見光，色彩飛非常豐富。由于 LED 點陣屏有多種規格，可以根據自己的需要選擇，這樣為制作多大型的顯示屏帶來了方便。根據組成 LED 顯示屏顏色的數目可分為單色、雙色、三色，根據顏色的不同可以選擇制作單色顯示屏還是彩色顯示屏。如果想顯示一種顏色的字，可以選用單色點陣屏制作顯示屏；如果顯示多種顏色文字額圖片，可以雙色和三色矩陣塊制作的顯示屏。單色有很多種顏色，如紅、綠、黃，藍色等單色。雙色和三色顯示屏顯示內容的顏色可以根據不同顏色的發光二極 體組合，如紅和綠組合可顯示黃色或橙色，這是根據自己設計的軟件而定的。目前使