ドットマトリクスディスプレイの制御

Details

この文書では入出力ボードにあるドットマトリクスディスプレイの制御方法について説明します．

 

1:概要

入出力ボードにある8個のドットマトリクスディスプレイは，7セグメントLEDと同様にダイナミック点灯方式で制御されており，垂直方向にある16個のLEDに表示するパターンをFPGAから32回送るようになっています．ただし7セグメントLEDよりやや複雑な制御を行っております．その一番の要因は32回送るとき，7セグメントLEDではそれぞれFPGAと制御されていましたが，ドットマトリクスディスプレイの場合にはFPGAの外部にあるシフトICを使っていることが挙げられます．各シフトレジスタはシリアルイン8ビットパラレルアウトになっており，それを4個使って32個の信号にしているのです．詳しくは後ほど説明します．

 

2:インタフェース

下にドットマトリクスディスプレイのインタフェースを示すとともに，各端子の説明を図の下にある表で示します．

DMDDiagram

端子名 入力/出力 バス幅 説明
iClk 入力 1 クロック．ダイナミック点灯をするために用います．
iLoad 入力 1 立ち上がりエッジでiColumnからの信号をiColumnIdに表示します．
iColumnId 入力 5 iColumnを表示する列の番号です．左端が0，右端が31とします．
iColumn 入力 8 描画する垂直方向(列)のパターンです．作成する回路ではこの信号をあらかじめ設定しておくと，それを記憶しておきます．1にすると点灯，0にすると消灯します．
iClrN 入力 1 表示(1'b1)/非表示(1'b0)します．
iRst 入力 1 この信号が1'b1のときリセットされます．
oClr 出力 1 ドットマトリクスディスプレイを表示する(1'b0)か非表示(1'b1)にするか出力します．
oClk 出力 1 4個のシフトレジスタのクロックに接続されています．
oSeg 出力 4 4個のシフトレジスタのシリアルインと接続されており，同じくシフトレジスタに接続されているoClkの立ち上がりエッジのタイミングで，oSsgの信号をシフトレジスタは取り込みます．
oColumn 出力 8 このドットマトリクスはダイナミック点灯方式を利用しており，目には見えませんが高速で1列ずつ描画しています．その1列のパターンを表しているのがこの信号です．

 

3:外部回路構成

下に示す回路図はDMDに関係する回路図です．上部にPNP型トランジスタがあり，これで32列のLEDをON/OFFしています．その下側に8個のドットマトリクスディスプレイがあります．右側には行を制御する3ステートバッファ(74541)とトランジスタアレイ(TD6208)があり，右下には3ステートバッファによりハイインピーダンスにすることができるスライドスイッチがあります．なお，3ステートバッファにはもうひとつハイインピーダンスにすることができる信号はFPGAと接続されています．最後に，下側には列を制御するシリアルインパラレルアウトの8ビットシフトレジスタ(74164)があります．

WholeDMD

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動作の流れを簡単に説明します．ここでは1列分のパターンを表示することを例とします．

表示する列を指定するには，回路図の下側にあるシフトレジスタ(SR)の中の1個だけから1個だけHigh，他をすべてLowにした信号を出します．これらの信号は回路図上側にあるソース型トランジスタアレイに接続されており，入力をHighにすると出力から3.3[V]の電気がその列に流れるため点灯します．反対に，トランジスタアレイの入力をLowにすると出力からは電気が流れないため消灯します．

1列分の信号をFPGAから3ステートバッファを介してトランジスタアレイに接続しています．このトランジスタアレイはシンク型トランジスタアレイであり，入力をHighにするとドットマトリクスディスプレイからの電気をグランドへ流すことができます．

以上のように，1列のパターンを変えつつ，かつシフトレジスタ(SR)にクロックを与えていけば，残像現象でパターンが表示されたように人間の目には見えます．

4:ピンアサイン

ピンアサインを下表で示します．この表をもとに，GOWIN EDAのPloorPlannerにてピンを割り振ってください．なお，この表にはドットマトリクスディスプレイとは別に，スイッチ類のピン番号も掲載しておきます．

端子の役割 回路図上の名称 FPGAのピン番号 信号の種類 ポート名
上から1行目 ROW1 28 LVCMOS33 oColumn[0]
上から2行目 ROW2 27 LVCMOS33 oColumn[1]
上から3行目 ROW3 26 LVCMOS33 oColumn[2]
上から4行目 ROW4 25 LVCMOS33 oColumn[3]
上から5行目 ROW5 39 LVCMOS33 oColumn[4]
上から5行目 ROW6 36 LVCMOS33 oColumn[5]
上から7行目 ROW7 37 LVCMOS33 oColumn[6]
上から8行目 ROW8 38 LVCMOS33 oColumn[7]
左から1～8列目を
制御するSRの
シリアルイン		 CLM_SEG1 77 LVCMOS33 oSeg[0]
左から9～16列目を
制御するSRの
シリアルイン		 CLM_SEG2 79 LVCMOS33 oSeg[1]
左から17～24列目を
制御するSRの
シリアルイン		 CLM_SEG3 80 LVCMOS33 oSeg[2]
左から25～32列目を
制御するSRの
シリアルイン		 CLM_SEG4 81 LVCMOS33 oSeg[3]
すべてのSRに
つながっているクロック		 CLM_CLK 76 LVCMOS33 oClk
点灯/消灯 !DMD_CLR1! 63 LVCMOS33 oClrN
トグルスイッチ1 SW1 69 LVCMOS33 iColumn[0]
トグルスイッチ2 SW2 68 LVCMOS33 iColumn[1]
トグルスイッチ3 SW3 57 LVCMOS33 iColumn[2]
トグルスイッチ4 SW4 56 LVCMOS33 iColumn[3]
トグルスイッチ5 SW5 55 LVCMOS33 iColumn[4]
トグルスイッチ6 SW6 54 LVCMOS33 iColumn[5]
トグルスイッチ7 SW7 53 LVCMOS33 iColumn[6]
トグルスイッチ8 SW8 51 LVCMOS33 iColumn[7]
トグルスイッチ9 SW9 42 LVCMOS33 iColumn[8]
トグルスイッチ10 SW10 41 LVCMOS33 iColumn[9]
トグルスイッチ11 SW11 35 LVCMOS33 iColumn[10]
トグルスイッチ12 SW12 40 LVCMOS33 iColumn[11]
トグルスイッチ13 SW13 34 LVCMOS33 iColumn[12]
トグルスイッチ14 SW14 33 LVCMOS33 iColumn[13]
トグルスイッチ15 SW15 30 LVCMOS33 iColumn[14]
トグルスイッチ16 SW16 29 LVCMOS33 iColumn[15]
トグルスイッチ17 SW17 22 LVCMOS33 iLoad
トグルスイッチ18 SW18 21 LVCMOS33 iClrN
タクトスイッチ S1 3 LVCMOS33 iRst
発振器 CLK 52 LVCMOS33 iClk

 

5:内部信号

ドットマトリクスディスプレイを制御するには，下記の内部信号が必要となります．

名称 reg/wire ビット幅 個数 初期値 備考
oSeg reg 4 1 4'b0000 ポート宣言の信号をregにしている．
drawingColumnPattern reg 8 1 8'b0000_0000 描画している列のパターン
drawingColumnId reg 5 1 5'b00000 描画している列のID．
pattern1 reg 16 8 別記 左から1～8列目のパターン
pattern2 reg 16 8 別記 左から9～16列目のパターン
pattern3 reg 16 8 別記 左から17～24列目のパターン
pattern4 reg 16 8 別記 左から25～32列目のパターン
disSt reg 1 1 1'b0 表示の状態．0：非表示,1:表示
dividedClk wire 1 1 - 分周したクロック

上記以外に，制御変数としてinteger型のiとjがあります．

初期状態で8個のドットマトリクスディスプレイに下記のように表示することにします．

長野高専

左端1列がpattern1[0]で表現され，その列から右側に進むにつれてpattern1[1]，[2]…[7]，pattern2[0]，…，pattern4[7]となります．1列を表すpatternx[y]は16ビットであり，最上位ビットが下，最下位ビットが上になります．従いまして，パターンとpattern1～pattern4の関係は下の図のようになります．

NaganoKosen

 

上の図をもとに，pattern1～pattern4を初期化すると下のようになります．

initial
begin
	pattern1[0] = 8'b00010000;
	pattern1[1] = 8'b01010000;
	pattern1[2] = 8'b01111111;
	pattern1[3] = 8'b01010101;
	pattern1[4] = 8'b00110101;
	pattern1[5] = 8'b01010001;
	pattern1[6] = 8'b01010000;
	pattern1[7] = 8'b00000000;
	pattern2[0] = 8'b01011111;
	pattern2[1] = 8'b01010101;
	pattern2[2] = 8'b01111111;
	pattern2[3] = 8'b01011111;
	pattern2[4] = 8'b01001001;
	pattern2[5] = 8'b01111101;
	pattern2[6] = 8'b00011011;
	pattern2[7] = 8'b00000000;
	pattern3[0] = 8'b01110010;
	pattern3[1] = 8'b00010010;
	pattern3[2] = 8'b01111110;
	pattern3[3] = 8'b01011011;
	pattern3[4] = 8'b01111110;
	pattern3[5] = 8'b00010010;
	pattern3[6] = 8'b01110010;
	pattern3[7] = 8'b00000000;
	pattern4[0] = 8'b00010010;
	pattern4[1] = 8'b00010010;
	pattern4[2] = 8'b00111110;
	pattern4[3] = 8'b01011111;
	pattern4[4] = 8'b01111110;
	pattern4[5] = 8'b00010010;
	pattern4[6] = 8'b00010010;
	pattern4[7] = 8'b00000000;
end

次に各信号を説明します．

drawingColumnPattern:ある時点で描画している1列のパターンを表しています．従って，pattern1[0]～[7]，pattern2[0]～[7]，pattern3[0]～[7]，pattern4[0]～[7]のいずれかということです．

drawingColumnId:ダイナミック点灯方式では，1列ごとにパターンを表示していきます．このときの列を表すのがこの信号です．すべてで32列あるため，この信号は5ビット(=0～31)となっています．0が左端の列，31が右端の列です．

disSt:ドットマトリクスディスプレイを制御するときにも隣り合う列を同時に表示させないため，列の切り替え時に消灯を行うことにしています．そのための信号がdisStです．この信号が1のときには点灯し，0のときには消灯するようにしています．

dividedClk:FPGAボードにはマスタクロックとして40[MHz]の発振器が備えられていますが，ドットマトリクスディスプレイをダイナミック点灯させるには速すぎます．そこで，およそ10[kHz]に分周したクロックを使うことにします．このクロック信号がdividedClkです．dividedClkはシフトレジスタのクロック(CLM_CLK)としても使用されます．

6:FPGAに作成する回路の構成

ここでは作成する回路の概略を示します．

以上でドットマトリクスディスプレイを制御する回路の説明を終わります．