邏輯分析儀測試在基于FPGA的LCD顯示控制中的應(yīng)用

摘要：邏輯分析儀作為基礎(chǔ)儀器，應(yīng)該在基礎(chǔ)數(shù)字電路教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了基于FPGA的液晶顯示控制設(shè)計方案，通過使用OLA2032B邏輯分析儀，對控制線進(jìn)行監(jiān)測與分析，保證設(shè)計方案的準(zhǔn)確性，或者在設(shè)計出現(xiàn)問題時，快速定位和解決問題。結(jié)果表明，邏輯分析儀在數(shù)字電路的設(shè)計、調(diào)試和分析中，起著很重要的作用。
關(guān)鍵字：LCD；邏輯分析儀；總線分析；觸發(fā)

一、引言
邏輯分析儀是數(shù)字設(shè)計驗證與調(diào)試過程中公認(rèn)最出色的工具，它能夠檢驗數(shù)字電路是否正常工作，并幫助用戶查找并排除故障。邏輯分析儀的主要特點是能夠同時觀察多個信號；能夠按高低電平、升降沿等模式觸發(fā)多條信號線，并查看結(jié)果。在基礎(chǔ)教學(xué)實驗室中，邏輯分析儀應(yīng)該與示波器處于同等重要的地位，但示波器的身影隨處可見，邏輯分析儀多數(shù)是紙上談兵，而且隨著很多仿真軟件的成熟，設(shè)計人員在計算機(jī)上便可以觀察被控器件的輸出信號，這樣在教學(xué)實驗室中，就回避了價格昂貴、操作繁瑣、不易維修的邏輯分析儀，但軟件仿真與硬件輸出有時會有一定的差距，這就會造成設(shè)計結(jié)果與我們預(yù)想的結(jié)果不同，而且很難查找其原因，這就需要我們觀察硬件電路輸出的控制信號。本文針對邏輯分析儀的使用，主要介紹了OLA2032B獨立臺式邏輯分析儀在EDA實驗教學(xué)中的一個典型的應(yīng)用——基于FPGA的液晶顯示控制設(shè)計方案。
二、LCD顯示控制原理簡介
1、LCD的顯示控制原理
實驗的過程中使用了清華大學(xué)提供的EDA GW48-PK2教學(xué)實驗箱，主要使用其中的液晶顯示模塊，此液晶顯示器為HS12864-3型液晶顯示器，它是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器和列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，包含七種指令，讀寫指令共用八路數(shù)據(jù)。可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(16×16點陣)漢字。
在實驗箱上，可以由FPGA直接控制LCD液晶顯示器，如圖1所示，F(xiàn)PGA保存子模，生成繪圖指令，并根據(jù)指令生成相應(yīng)的時序，發(fā)送給LCD。LCD端的DDRAM控制器接收時序控制信號并將圖像顯示在液晶屏上。

液晶模塊的硬件構(gòu)成如圖2所示，液晶屏被分為左右兩個區(qū)域，它是通過片選信號CS0、CS1選擇當(dāng)前信號所控制的區(qū)域，讀寫指令共用八路數(shù)據(jù)，通過幾根控制線完成液晶顯示器的讀寫工作。該設(shè)備內(nèi)置64×64位的顯示存儲器DDRAM，顯示屏上各像素點的顯示狀態(tài)與DDRAM中的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，DDRAM的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動信號。DDRAM中某一點的數(shù)據(jù)為“1”，則液晶屏上相應(yīng)的像素點顯示；DDRAM中某一點的數(shù)據(jù)為“0”，則液晶上相應(yīng)的像素點不顯示。圖2中，IC3為行驅(qū)動器，IC1、IC2為列驅(qū)動器，IC1、IC2、IC3中含有很多功能器件。

圖2 模塊主要硬件構(gòu)成

通過控制DI、RW、E、CS1和CS2這五個信號管腳的電平并向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，我們可以對液晶屏控制器進(jìn)行簡單的操作指令，如顯示開關(guān)設(shè)置、顯示起始行設(shè)置、地址指針設(shè)置和數(shù)據(jù)讀/寫等指令。這些指令可以分為兩類，即顯示狀態(tài)設(shè)置指令和數(shù)據(jù)讀/寫操作指令，根據(jù)控制指令表（表1）書寫操作指令。
其中：D/I：數(shù)據(jù)/指令標(biāo)志位，0表示數(shù)據(jù)總線上信號為指令，1表示數(shù)據(jù)總線上信號為數(shù)據(jù)；
R/W：讀/寫標(biāo)志位，0表示FPGA向數(shù)據(jù)總線上做寫操作，1表示FPGA讀數(shù)據(jù)總線。

表1 液晶屏控制指令表

如圖3所示，在設(shè)計的過程中，讀寫時序非常關(guān)鍵，為保證讀寫操作的正確性，可用邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試，主要觀察信號的時序關(guān)系，以及讀寫的數(shù)據(jù)值的正確與否。讀寫時序有具體的時序參數(shù)要求，可以通過邏輯分析儀的測量功能，測量其中時間參數(shù)與讀取時序參數(shù)表對照，具體測量方法詳見下文。

圖3 讀寫操作時序

2、設(shè)計思路
LCD顯示控制器設(shè)計要點：
1) LCD的讀寫是一個連續(xù)的過程，需要設(shè)置好起始地址后連續(xù)的進(jìn)行寫入，這需要一個狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)（LCD控制器）；
2) 向LCD發(fā)送指令之前需要確定LCD的狀態(tài)是否可以接收指令，即要先進(jìn)行讀狀態(tài)字的操作，這也需要一個狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)（LCD讀/寫接口）。
3) HS12864-3液晶屏自帶DDRAM，讀寫DB[7..0]實際上是和DDRAM交換數(shù)據(jù)。
4) 由于DDRAM為并行8位數(shù)據(jù)總線，為了發(fā)送數(shù)據(jù)盡可能簡單，建議在LCD模塊中采用雙向8位RAM。
5) 不斷刷新128*64的每一像素的數(shù)據(jù)，但只需產(chǎn)生數(shù)據(jù)向雙向RAM中刷新。無需關(guān)心如何繪制到LCD上。
三、使用邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試
1、設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題
在實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)LCD模塊每隔一段時間可能產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的因素，左半屏可能會不顯示，有時出現(xiàn)滾屏的現(xiàn)象，有時會在液晶顯示器上出現(xiàn)散點，或出現(xiàn)圖像混亂現(xiàn)象，如圖4所示。這種現(xiàn)象一般由于控制指令出現(xiàn)問題，控制線與數(shù)據(jù)線的時序關(guān)系出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)這種現(xiàn)象需要使用邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試。

圖4 液晶顯示的異?，F(xiàn)象

2、搭建實驗環(huán)境
基于以上問題，需要我們搭建一套實驗環(huán)境，查找液晶顯示過程中可能出現(xiàn)的錯誤，實驗設(shè)備以邏輯分析儀為主，配備相應(yīng)的測試附件，如果希望存儲實驗數(shù)據(jù)或者設(shè)置，還需要將邏輯分析與PC相連，利用邏輯分析儀的配套軟件，將所要的數(shù)據(jù)存儲下來。這樣便搭建了PC實時控制軟件＋OLA邏輯分析儀＋DUT待測設(shè)備的實驗環(huán)境。

3、連接方式
在邏輯分析儀與被測電路相連時，一般邏輯分析儀的標(biāo)準(zhǔn)配件有兩種連接形式，一種是插針連接方式，這需要實驗板上預(yù)留排針式的測試端口，這種情況一般出現(xiàn)在專業(yè)的測試板上，連接比較輕松；另一種是飛機(jī)頭連接方式，這種連接方式測試鉤非常小巧，可以隨意鉤在實驗板的測試管腳，對實驗板沒有特殊要求，如圖6所示。另外，我們北京海洋興業(yè)科技有限公司與美國Pomona公司合作提供很多其它形式的連接方式，如微型SMD測試夾、集成電路測試夾等等，根據(jù)用戶的需求建立不同的邏輯分析儀測試方案。

圖6 邏輯分析儀通過飛機(jī)頭連接被測電路

4、邏輯分析儀的使用
為了更方便、更快捷的解決設(shè)計中存在的問題，我們需要很好的使用邏輯分析儀，利用其獨有的特點和豐富的功能調(diào)試棘手的問題，所謂磨刀不誤砍柴工，如果可以很好地駕馭測試手段，就可以達(dá)到事半功倍的效果。下面我們主要介紹OLA2032B邏輯分析儀在這個設(shè)計實驗中如何最大的發(fā)揮作用。
1) Auto-Scale功能
將邏輯分析儀的測試線與被測電路中想要觀察的信號管腳連接好之后，不需要任何設(shè)置，只要按下Auto-Scale功能鍵，待測信號便可以在屏幕上顯示，類似于數(shù)字示波器的Auto-Set功能，給邏輯分析儀的使用帶來前所未有的方便。如圖7所示，接入的13路信號全部顯示在屏幕上。

圖7 Auto-Scale功能

2) 總線形式顯示
由于邏輯分析儀的通道數(shù)很多，OLA2032B擁有32路數(shù)據(jù)通道，如果同時顯示這些信號，未免會顯得雜亂無章，這是我們需要總線形式顯示一組或幾組信號，每組的通道個數(shù)可根據(jù)實際情況設(shè)定，并且每組的信號有高位或地位的順序關(guān)系。例如，此實驗中，S0-S7是讀寫指令共用的數(shù)據(jù)通道，其它S8-S12為5路控制線，為了方便，可以將S0-S7設(shè)置成總線形式，并以十六進(jìn)制或者十進(jìn)制顯示，這樣可清晰的理解設(shè)計者的指令，如圖8所示，可以看出大部分時間寫入的數(shù)據(jù)為0，對照液晶顯示控制指令表，可以看出寫入的是液晶屏上空白的地方。

圖8 總線形式顯示

3) 通道命名
由于邏輯分析儀的通道數(shù)比較多，可以通過顏色來區(qū)分不同的通道，也可以給每一個通道命名，如圖所示，我們給每個通道定義與實際意義相符的名字，這樣就非常好區(qū)分，方便觀察時序關(guān)系。通道的命名可以在儀器上操作，也可以在計算機(jī)軟件上操作，后者使用計算機(jī)鍵盤，更加快捷。
4) 計算機(jī)軟件
OLA2032B邏輯分析儀可以通過一根USB電纜與計算機(jī)相連，通過配套軟件，可以讀取采集的信號數(shù)據(jù)和設(shè)置，可以在PC上控制儀器，并且讀取數(shù)據(jù)和控制儀器的速度都非常快，均可以達(dá)到USB2.0的速度，在計算機(jī)上顯示的信號波形基本與計算機(jī)上的波形同步，沒有延時。圖7圖8均為計算機(jī)存儲的圖片。
5) 觸發(fā)功能
同示波器類似，OLA2032B邏輯分析儀也具備豐富的觸發(fā)功能，包括高階的多階觸發(fā)、或階觸發(fā)等等。首先可以設(shè)置每個通道的狀態(tài)進(jìn)行觸發(fā)，如上升沿、下降沿、高電平、低電平等狀態(tài)；其次可以進(jìn)行脈沖寬度觸發(fā)，捕獲毛刺；另外可以進(jìn)行多階觸發(fā)、或階觸發(fā)，我們稱之為既并行又串行的觸發(fā)，這種觸發(fā)方式可以用來分析數(shù)據(jù)的包頭、包尾等。在我們的實驗中，我們可以根據(jù)信號的時序關(guān)系觸發(fā)指定位置，例如圖8的觸發(fā)方式為使能端EN的下降沿，這里只用到了最簡單的單通道下降沿觸發(fā)方式。
6) 觀察時序使用測量功能
如前所述，對于液晶屏幕的讀寫時序有嚴(yán)格的時間限制，如果顯示出現(xiàn)錯誤，很可能是因為讀寫時序以及其持續(xù)時間不滿足要求，所以我們需要使用邏輯分析儀的光標(biāo)測量功能來查找問題所在。OLA2032B提供了三組六根光標(biāo)，可以測量每根光標(biāo)對應(yīng)基準(zhǔn)位置的時間差和沒組光標(biāo)兩根之間的時間差，這樣便可以將測量結(jié)果與液晶顯示器參數(shù)對照，查找問題所在。請對比圖8與圖3的時序關(guān)系。
四、使用邏輯分析儀的注意事項
1、輸入信號的電壓
由于數(shù)字信號的電平均較低，一般在5V以內(nèi)，所以邏輯分析儀的耐壓能力較差，所以盡量不要將電壓較高的信號，長時間的接入邏輯分析中。例如，邏輯分析儀有時也可以用來測量和分析一些串行總線，如I2C、SPI等串行總線，但是一般不用邏輯分析儀分析RS232總線，因為RS232的電平較高，超過了邏輯分析儀的耐壓能力。
2、信號閾值
閾值是判決信號為高電平或低電平的門限電平，所以對于同一個信號，對應(yīng)不同的閾值可能得到不同的結(jié)果，所以我們要根據(jù)實際情況選擇閾值大小，有些用戶想要雙閾值的判決，可是大多數(shù)邏輯分析儀沒有這項功能，一般將邏輯的域值設(shè)置成高電平的門限即可。
3、存儲深度
邏輯分析儀在采集信號時都會將采集到的信號存儲到存儲器(Memory)中，根據(jù)用戶的要求，需要采集多長時間、定時分辨率為多少來設(shè)置存儲深度，OLA2032B最大存儲深度為512Kbit/每通道。
4、數(shù)字信號與模擬信號的相關(guān)性
邏輯分析儀觀測到的信號，我們稱之為“偽信號”，只有高低電平之分，也就是說邏輯分析儀觀察到的信號只有水平軸是有意義的，它反映信號的時間關(guān)系，而垂直軸是沒有意義的，它并不代表幅度，如果信號出現(xiàn)了問題，尤其是串?dāng)_、毛刺等現(xiàn)象，我們要是想知道其來源以及產(chǎn)生原因，還需要與其它儀器相配合，如示波器、頻譜分析儀等等。

小結(jié)
本文介紹了邏輯分析儀在EDA教學(xué)中的應(yīng)用，通過OLA2032B邏輯分析儀調(diào)試基于FPGA的LCD顯示控制設(shè)計方案的實驗。在測試的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)邏輯分析儀在基礎(chǔ)教學(xué)中起著很重要的作用，比示波器更適合調(diào)試數(shù)字電路。實踐證明，邏輯分析儀可以縮短我們的設(shè)計時間，解決其它儀器或者軟件解決不了的問題，并且它是多通道的時序分析的唯一解決方案，它可以同時看到硬件電路實際輸出的多路信號。我們北京海洋興業(yè)科技有限公司推出的OLA2032B邏輯分析儀，希望可以解決邏輯分析儀在基礎(chǔ)教學(xué)中作壁上觀的現(xiàn)狀，較高的性價比真正做到讓數(shù)字電路教學(xué)用得起邏輯分析儀。在這里非常感謝清華大學(xué)的老師給我們這樣好的平臺，使我們對我們的產(chǎn)品更有信心。

參考文獻(xiàn)

[1] 許忠信. LCD顯示控制器設(shè)計. 清華大學(xué)EDA實驗實驗教程.
[2] 康世胤. 基于FPGA的隨機(jī)序列發(fā)生器和LCD控制器. 清華大學(xué).
[3] 王樂. 邏輯分析儀基礎(chǔ)知識簡介. 北京海洋科技有限公司網(wǎng)站. 06.12.25.
[4] 王樂. 邏輯分析儀的使用. 北京海洋科技有限公司網(wǎng)站. 07.05.08.
[5] 周家明. 邏輯分析儀與示波器的比較. 北京海洋科技有限公司網(wǎng)站. 07.02.15