計(jì)算機(jī)EPP控制CPLD顯示點(diǎn)陣漢字的實(shí)現(xiàn)

1       引言

隨著人們生活節(jié)奏的加快，越來(lái)越多的場(chǎng)合需要使用電子手段動(dòng)態(tài)發(fā)布信息，其中應(yīng)用非常廣泛的一種方法就是LED點(diǎn)陣顯示。傳統(tǒng)的點(diǎn)陣漢字顯示通常采用單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合存儲(chǔ)器、邏輯電路和LED點(diǎn)陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)具有良好的集成度，在很多對(duì)設(shè)備體積要求較高的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。但是此方案開(kāi)發(fā)和升級(jí)控制程序的工作量都很大[1]。在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)于學(xué)生軟件方面的能力和協(xié)同工作鍛煉有限?；谶@些考慮，使用PC并口EPP模式控制CPLD的LED點(diǎn)陣顯示方案具有較好的實(shí)用價(jià)值和易操作性。基于EPP的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)比SPP和RS232具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適合于需要高速傳輸?shù)膱?chǎng)合[2]。本設(shè)計(jì)實(shí)際測(cè)試并證明了EPP模式下計(jì)算機(jī)并口與CPLD結(jié)合進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的可行性與高效性。實(shí)驗(yàn)中采用了16*16的LED點(diǎn)陣。

2       系統(tǒng)整體方案與協(xié)議

2.1 系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)并口以點(diǎn)陣的形式發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，CPLD作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理核心來(lái)控制顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路。待顯示的文字全部使用計(jì)算機(jī)處理并生成點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，因此可以選用無(wú)RAM的CPLD器件，同時(shí)也可以方便的直接控制顯示效果，降低功耗。本系統(tǒng)采用ALTERA公司的EPM7128LS84-15。在設(shè)計(jì)中，將盡可能多的功能用計(jì)算機(jī)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以減少硬件的負(fù)擔(dān)，并降低系統(tǒng)更新維護(hù)的代價(jià)。軟件部分采用VC++6.0開(kāi)發(fā)。

2.2 接口協(xié)議

本設(shè)計(jì)采用16*16的點(diǎn)陣顯示器，每幀要求PC提供256路信號(hào)，顯然對(duì)于PC并口來(lái)說(shuō)，其I/O資源是不足的，需要CPLD來(lái)加以處理。計(jì)算機(jī)軟件需要完成的工作有：①讀取用戶輸入的文字，并將其轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣數(shù)據(jù)；②定時(shí)使點(diǎn)陣循環(huán)移位，產(chǎn)生漢字移動(dòng)的字幕效果；③定時(shí)以八位為單位發(fā)送當(dāng)前需要顯示的點(diǎn)陣，并發(fā)送若干控制信號(hào)，使CPLD控制LED顯示相應(yīng)的點(diǎn)陣，每幀需要發(fā)送32次。接口協(xié)議采用了3個(gè)控制位，以C0、C1和C2表示；CPLD返回的狀態(tài)位與EPP的定義相同，在此不贅述。PC與CPLD之間的接口協(xié)議如下：

·CPLD上電給出在線信號(hào)Busy=1；

·PC檢測(cè)Busy=1，發(fā)C0=1，C1=0，C2=0（通知CPLD：并口要開(kāi)始發(fā)新幀的數(shù)據(jù)）；

·CPLD應(yīng)答nAck=1，并初始化內(nèi)部地址變量Address=1111；

·PC檢測(cè)狀態(tài)nAck=1，發(fā)C0=0，C1=1，C2=0（通知CPLD：發(fā)送某一行的高8位數(shù)據(jù)），并發(fā)送高8位數(shù)據(jù)；

·PC發(fā)C0=0，C1=0，C2=0，確保高8位和低8位不會(huì)混淆；

·CPLD收到數(shù)據(jù)后，Address+1，高8位數(shù)據(jù)暫存，并發(fā)應(yīng)答信號(hào)nSelect=1；

·PC檢測(cè)nSelect=1，發(fā)C0=0，C1=0，C2=1（通知CPLD：發(fā)送同一行的低8位數(shù)據(jù)），并發(fā)送低8位數(shù)據(jù)；

·CPLD內(nèi)部地址變量Address不變，把高8位數(shù)據(jù)與低8位數(shù)據(jù)組合成一行，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)PaperEnd=1；

·PC檢測(cè)PaperEnd=1，進(jìn)入循環(huán)。

LED點(diǎn)陣顯示采用逐行掃描，為了避免顯示屏的閃爍，每秒至少需要刷新25次。系統(tǒng)整體框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3       系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中用到的顯示屏是16*16點(diǎn)陣的，所以通過(guò)四個(gè)8*8LED點(diǎn)陣模塊來(lái)組合成16*16點(diǎn)陣。圖1中的行驅(qū)動(dòng)器和列驅(qū)動(dòng)器是必要的，因?yàn)镃PLD輸出的高電平可能不足以推動(dòng)LED發(fā)光，造成點(diǎn)陣亮度不一的問(wèn)題。實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用反向器作為驅(qū)動(dòng)。

在本設(shè)計(jì)中，CPLD是核心，有著承上啟下的作用。因此，在接口協(xié)議確定的條件下，CPLD內(nèi)部控制編寫(xiě)的VHDL程序的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)前述協(xié)議可知，CPLD主要是完成與計(jì)算機(jī)的通信，再控制驅(qū)動(dòng)電路使得LED點(diǎn)陣顯示屏正常顯示。本設(shè)計(jì)采用Max+PlusII編寫(xiě)VHDL程序，用Protel 99SE進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)。VHDL程序及注釋如下：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity display is

     port(   clk:    in  std_logic;

            c:      in  std_logic_vector(2 downto 0);   --三位控制信號(hào)

            data:   in  std_logic_vector(7 downto 0);   --數(shù)據(jù)輸入

            status:  out std_logic_vector(2 downto 0);   --三位狀態(tài)信號(hào)

            col:    out std_logic_vector(15 downto 0);   --列輸出

            row:   out std_logic_vector(15 downto 0)    --行輸出 );

end display;

architecture control of display is

       signal v_row: std_logic_vector(15 downto 0);   --暫存行數(shù)據(jù)

       begin

row<=v_row;  --輸出行數(shù)據(jù)

            process(clk,c,data)

            variable address: std_logic_vector(3 downto 0);  --行地址變量

            variable hdata: std_logic_vector(7 downto 0);  --暫存高八位列數(shù)據(jù)變量

            variable t: std_logic;      --局部變量控制“行地址加一”行為

       begin

            if clk'event and clk='1'then

               if c="001" then

                  status<="110";

                  address:="1111";

                  t:='0'; --初始化變量

               elsif c="010" then

                     status<="011";

                     if t='0' then  --局部變量t=0行地址加一

                        address:=address+1;  

                        t:= '1';   --行地址加一后立即置變量t為1

                     end if;  

                     hdata:=data;   --暫存高八位列數(shù)據(jù)

               elsif c="100" then

                     t:='0';

                     case address is  --行地址譯碼

                          when "0000"  => v_row<=X"0001";

--此處從略

                          when others   => null;

                      end case;

                      status<="101";

                      col<=hdata&data; --同時(shí)輸出高低八位

                end if;

             end if;

        end process;

        end control;

4       系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 漢字點(diǎn)陣讀取及滾動(dòng)顯示的原理

要在16*16點(diǎn)陣上顯示漢字，首先需要把用戶輸入的漢字轉(zhuǎn)化成點(diǎn)陣形式。首先獲取漢字的區(qū)位碼，再通過(guò)計(jì)算公式找到此漢字在16*16點(diǎn)陣漢字庫(kù)文件HZK16中的存儲(chǔ)位置，從而得到它的點(diǎn)陣信息。公式如下：

lHzkPosition=((nSection-1)*94+nPosition-1)*32

其中，lHzkPosition是漢字點(diǎn)陣在漢字庫(kù)中的首地址，nSection和nPosition分別是漢字的區(qū)碼和位碼。Windows 2000/XP操作系統(tǒng)默認(rèn)的字符集是Unicode，這是一個(gè)全球一體化的字符集，無(wú)法映射得到漢字的GB2312區(qū)位碼。所以，軟件的字符編碼方式必須采用GB2312，在VC++中采用MBCS（Multi-Byte Char System）即可。在此使用一個(gè)CString對(duì)象存儲(chǔ)需要顯示的文本，CString可以以字節(jié)為單位進(jìn)行操作，一個(gè)漢字（或其它全角字符）對(duì)應(yīng)兩個(gè)字節(jié)。如果保證這個(gè)CString里面的字符全部是全角字符，就可以在點(diǎn)陣漢字庫(kù)里找到它們的點(diǎn)陣。以字節(jié)為單位讀取字符的機(jī)內(nèi)碼。將一個(gè)字符的高字節(jié)減去0xA0就得到漢字的區(qū)碼；將一個(gè)字符的低字節(jié)減去0xA0就得到漢字的位碼。為避免頻繁磁盤(pán)讀寫(xiě)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大程度的集成，可以把HZK16漢字庫(kù)放到程序的資源中。確定此資源在內(nèi)存中的首地址，再加上由區(qū)位碼計(jì)算得到的字庫(kù)的存儲(chǔ)位置，就可以確定漢字點(diǎn)陣在內(nèi)存中的位置。

在程序中加入兩個(gè)定時(shí)器，分別定時(shí)觸發(fā)漢字滾動(dòng)和數(shù)據(jù)發(fā)送事件。漢字滾動(dòng)用位操作實(shí)現(xiàn)，建立一個(gè)32字節(jié)的字節(jié)數(shù)組，用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前顯示屏上需要顯示的點(diǎn)陣，定時(shí)器觸發(fā)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前顯示的字符和已經(jīng)移位的次數(shù)，讀取待顯示漢字點(diǎn)陣的相應(yīng)位置，并將讀取出來(lái)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)移位相加，即可獲得當(dāng)前屏幕需要顯示的點(diǎn)陣。調(diào)整定時(shí)器觸發(fā)的時(shí)間間隔，即可調(diào)整漢字滾動(dòng)的速度。

4.2 點(diǎn)陣漢字發(fā)送的原理

以字節(jié)為單位讀取待顯示的32字節(jié)數(shù)組，根據(jù)前述協(xié)議，通過(guò)操作并口寄存器將每次讀到的字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送到CPLD，并讀取CPLD的返回狀態(tài)，不斷地握手、發(fā)送、等待應(yīng)答，直到以用戶給定的幀速將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。幀速的設(shè)定是因?yàn)榘l(fā)送定時(shí)器的觸發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象，因此每次發(fā)送定時(shí)器觸發(fā)時(shí)，同一幀數(shù)據(jù)發(fā)送多次，就可以有效的減少閃爍感。用戶可以根據(jù)使用環(huán)境，隨時(shí)調(diào)整幀速以達(dá)到最好的顯示效果。

為了避免設(shè)備掉電或者其他原因沒(méi)有應(yīng)答造成的程序死鎖，發(fā)送程序必須包含超時(shí)檢測(cè)。在等待CPLD應(yīng)答時(shí)，反復(fù)讀取并口的狀態(tài)寄存器，以一個(gè)臨時(shí)變量記錄沒(méi)有應(yīng)答的次數(shù)，并和一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的最大應(yīng)答延遲次數(shù)相比較，如果超過(guò)最大延遲次數(shù)，則判定CPLD應(yīng)答超時(shí)，停止繼續(xù)發(fā)送并提示用戶。最大延遲次數(shù)的設(shè)定和CPLD采用的晶振頻率有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)中，若采用4Mhz晶振，正常工作狀態(tài)下，計(jì)算機(jī)無(wú)需循環(huán)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到CPLD的應(yīng)答信號(hào)；若采用250Khz晶振，則需要多次檢測(cè)才可以檢測(cè)到應(yīng)答信號(hào)，此時(shí)若將最大延遲次數(shù)設(shè)置過(guò)低，計(jì)算機(jī)將設(shè)備判為延遲并重新發(fā)送，極易引起顯示屏的閃爍。

5       結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本設(shè)計(jì)我們可以看到，利用計(jì)算機(jī)并口的EPP模式結(jié)合CPLD設(shè)計(jì)數(shù)字電子系統(tǒng)，可以將大量繁雜工作交給軟件承擔(dān)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)完成。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種有助于減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間的設(shè)計(jì)方式，同時(shí)可以得到友好的人機(jī)界面和方便的操作。這種設(shè)計(jì)方法具有一定的通用性，對(duì)需要使用CPLD的電子設(shè)計(jì)，尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的參考價(jià)值。