摘 要： 介紹了一種基于LabVIEW與FPGA的LED漢字顯示屏，其利用LabVIEW軟件靈活、簡便地從計算機的漢字庫中提取漢字字模并轉換為供FPGA直接調(diào)用的十六進制字模數(shù)據(jù)。通過在LabVIEW中進行圖像信息掃描的方式得到任意漢字的字模，然后經(jīng)串口傳遞給FPGA控制顯示漢字。該方法的字模由上位機生成，省去了建立字模庫步驟，簡化了顯示過程，實用性較強。
關鍵詞： LabVIEW；點陣字庫；FPGA；LED顯示
隨著嵌入式技術的發(fā)展，各類智能電子裝置日益增多。在這些電子裝置中經(jīng)常需要顯示漢字，如各類由LED點陣組成的電子廣告牌與液晶顯示屏，它們都是以“點位點亮”的方式顯示。因此，在顯示漢字時必須通過某些技術手段獲得反映漢字字型點陣數(shù)據(jù)的漢字字模。本文介紹了一種直接利用LabVIEW的圖片處理功能自動生成字符點陣的方法，它比其他字模提取方法簡單直觀。利用該程序無需使用專門的字庫可自動得到各種字符的點陣，然后將顯示信息通過串行傳輸方式發(fā)送到FPGA，通過FPGA驅(qū)動相應的二極管發(fā)光顯示信息。本設計的硬件由計算機、FPGA、驅(qū)動電路和LED顯示屏構成。結構圖如圖1所示。
1 基于LabVIEW的漢字字模的提取
1.1 點陣字庫
點陣字庫包括16點陣、24點陣及48點陣字庫等，點陣數(shù)目越多，漢字質(zhì)量越高，而所用存儲空間也就越多。點陣字庫用于存放各個漢字的字模，在同一字庫中，各漢字字模所占字節(jié)數(shù)相同，以便于查找和提取。對于一個n×n的點陣字符，其生成方法就是在一個具有n×n個小格的坐標紙上書寫字符，若筆畫通過某小格，該小格對應數(shù)字1；筆畫不通過，則對應數(shù)字0。然后將該點陣按行或按列切分為字節(jié)后存儲，就構成了一個字符的點陣數(shù)據(jù)。
1.2 點陣字模的存儲結構
要顯示一個漢字，就必須知道這個漢字的點陣字模信息，這些字模有16點陣、24點陣和32點陣等。目前技術開發(fā)中常用的是16點陣和24點陣兩種。不同點陣漢字字體又有宋體、仿宋體、黑體、楷體之分。在計算機中，相同點陣、相同字體的字符存放在一個字庫中，稱為一個漢字庫文件。本文所用的16點陣字庫結構采用行排列的形式，共有16行，每行16個點，每行點陣存入2 B，因此，每個字符占用32 B。字節(jié)的存放順序為從左到右、從上到下，如圖2（a）所示。24×24點陣字庫則主要為了打印方便，一般采用以列為主的存儲方式存放字模點陣，如圖2（b）所示。
1.3 點陣字庫原理
（1）計算區(qū)位碼
根據(jù)我國頒布的《信息交換用漢字編碼字符集——基本集》，漢字庫中收集了6 763個漢字，其中3 755個為常用漢字，其余為次常用漢字。常用漢字按漢語拼音的順序存放在前面，次常用漢字按偏旁部首的順序存放在最后，整個字庫分94個區(qū)，每個區(qū)可存放94個漢字或符號，各漢字或符號所在區(qū)即為區(qū)碼，在區(qū)中的順序號則為位碼。因而，通過區(qū)碼和位碼便可唯一地確定一個漢字或符號，計算公式為：
一個漢字或符號在字庫中的順序號=94×（區(qū)碼-1）+（位碼-1）（1）
如果直接利用漢字的區(qū)位碼作為編碼存儲，就會無法區(qū)分是漢字還是西文字符，為此，對區(qū)位碼作統(tǒng)一變換后作為漢字的存儲代碼，即機內(nèi)碼。機內(nèi)碼與區(qū)位碼之間的變換關系如下：
機內(nèi)碼高位字節(jié)=區(qū)碼+160
機內(nèi)碼低位字節(jié)=位碼+160（2）
對于16點陣字庫，每個漢字字模使用32 B（16 bit×16 bit），再由式（1）和式（2）可知，一個漢字字模在16點陣字庫中的起始位置可由式（3）求得：
32×[（機內(nèi)碼高字節(jié)-161）×94+（機內(nèi)碼低字節(jié)-161）] （3）
由于漢字庫前15個區(qū)主要用于存放各種非漢字符號，有些漢字系統(tǒng)為了不同的需要進行了裁減，對此必須特別注意，應根據(jù)所選字庫對式（3）進行適當修改。同樣，一個漢字字模在24點陣字庫中的起始位置應為：
72×[（機內(nèi)碼高字節(jié)-176）×94+（機內(nèi)碼低字節(jié)-161）]（4）
（2）計算漢字點陣數(shù)據(jù)存儲位置偏移量
偏移量是指字模首字節(jié)距離文件頭的相對位置。其計算原理是：求出被檢索漢字之前的漢字個數(shù)，再乘每個漢字所占的字節(jié)數(shù)。1個n×n點陣字符所占字節(jié)數(shù)等于n×n÷8。如16×16點陣占32 B，其偏移量offset計算式為：
offset=（94×（區(qū)碼-1）+（位碼-1））×32（5）
（3）移動文件指針讀出點陣字模數(shù)據(jù)
打開點陣字庫文件，將文件指針從文件頭向后移動offset個字節(jié)，然后使用文件讀取函數(shù)讀出字模，如使用Windows API函數(shù)。點陣字庫存在分辨率低和不能放大兩個致命的缺點。其中，分辨率低導致不能反映字體形狀細節(jié)，也就不能反映豐富多彩的字體，可以通過提高位圖點數(shù)提高分辨率。相較于其他字庫，點陣字模原理簡單且使用非常容易，因此，其在大型顯示屏等戶外電子裝置顯示漢字時得到了廣泛應用。
1.4 漢字字模提取程序
1.4.1 漢字字模提取程序的前面板
前面板是圖形化用戶界面，用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，漢字字模提取程序的前面板如圖3所示，它由漢字輸入和漢字顯示等幾部分組成。只需要在漢字輸入窗口輸入一個漢字，由LED控件組成的矩陣就可以模擬真實的LED顯示元件顯示所輸入的漢字。
1.4.2 漢字字模提取程序框圖
漢字字模提取程序基本流程為：在輸入一個漢字后，得到該漢字的機內(nèi)碼，從而進一步計算得到該漢字字模首字節(jié)在漢字庫文件HZK16中的位置，同時將一個指明漢字庫文件HZK16路徑的常量送入Open/Create/Replace File VI的file path端口。將文件HZK16打開并得到文件的標識號。將文件HZK16的標識號和得到的漢字字模首字節(jié)地址分別送入Set File Position VI的refnum端口和offset端口，即指明了漢字字模在文件HZK16中的起始位置。接著將得到的refnum送入讀二進制文件節(jié)點Read from Binary File VI的file端口，同時在count端口指明讀取的字節(jié)數(shù)量為32。讀二進制文件節(jié)點就會從漢字庫文件HZK16中，從得到的字模起始位置開始連續(xù)讀取32 B的數(shù)據(jù)，這樣就得到了一個容量為32的數(shù)組，即輸入漢字的點陣字模。然后利用一個For循環(huán)，將一維數(shù)組的每個十六進制元素通過Number To Boolean Array VI轉化為布爾量，這個布爾量與應該得到的布爾量是前后顛倒的，因此應將轉化的布爾量數(shù)組通過Reverse 1D Array VI再一次顛倒，并通過轉化為16×16矩陣，送入前面板顯示。程序框圖如圖4所示。
2 系統(tǒng)硬件設計概述
本文需要設計的LED控制系統(tǒng)是基于NiosⅡ的嵌入式系統(tǒng)，其硬件平臺體系結構如圖5所示。
由圖5可知，該LED顯示控制系統(tǒng)大致可以分為FPGA內(nèi)部邏輯、存儲器模塊和外圍元件3個部分。FPGA內(nèi)部邏輯在FPGA芯片內(nèi)部實現(xiàn)，核心是NiosⅡ核，它集成了Avalon總線控制器、片內(nèi)存儲器、內(nèi)部定時器、CPU與外圍設備的接口等，在 SoPC Builder中首要設計的就是FPGA內(nèi)部邏輯。存儲器模塊由外接的Flash、SRAM及SDRAM組成。由于現(xiàn)有的FPGA還不能集成大容量的存儲器，需要外擴Flash及SDRAM存儲器。
3 控制系統(tǒng)的軟件設計
軟件程序主要由初始化、主程序、中斷程序等構成，采用匯編語言編寫。主程序用于LED顯示，其流程圖如6所示。中斷程序主要用于接收上位機傳送的字模信息，由于LabVIEW和下位機傳遞的數(shù)據(jù)是ASCII形式的，需要轉換為十六進制數(shù)。采用中斷的方式接收數(shù)據(jù)可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。
本文設計了基于LabVIEW和FPGA的LED漢字顯示屏。采用LabVIEW編程方法產(chǎn)生字模，通過串口傳遞給FPGA，簡化了編程，節(jié)省了FPGA程序運行時間，不但能實現(xiàn)動態(tài)輸入，還能根據(jù)需要隨時修改需要顯示的內(nèi)容，具有較高的實用價值。而下位機系統(tǒng)主要采用了FPGA技術、SoPC技術和NiosⅡ處理器技術。
雖然本設計只使用了一塊16×16 LED點陣，電路簡單，但是包含了LED顯示屏的電路基本原理和基本編程思想，如要進行擴展，只需擴展FPGA的I/O接口，增加一些LED點陣和相關芯片，就能設計出面積更大、花樣更多的LED顯示屏。實驗結果表明，本文所設計的系統(tǒng)靈活性和可靠性較高，外圍電路簡單，硬件易升級，功能擴展性增強，是LED控制系統(tǒng)的一個主要發(fā)展方向。
參考文獻
[1] 周立功.SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.
[2] 褚振勇.翁木云.FPGA設計及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.
[3] Altera Corporation. QuartusII version6.0 handbook[EB/OL].www.altera.com. 2006.
[4] 楊樂平.LabVIEW程序設計與應用（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[5] 侯國屏.LabVIEW編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.