基于FPGA的液晶顯示接口設(shè)計(jì)

在小規(guī)模圖形液晶顯示模塊上使用液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器組成液晶顯示驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，是當(dāng)今低成本，低功耗，高集成化設(shè)計(jì)的最好選擇，SED1520是當(dāng)前最常用的一種液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器，這類圖形液晶顯示模塊的規(guī)模為32行，本文用到的液晶模塊CM12232即是內(nèi)置SED1520的液晶顯示模塊，該模塊的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由兩片SED1520組成。

??? FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件，這是一種超大規(guī)模集成電路，具有在電路可重配置的能力（in circuit reconfigurable，ICR）。設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的邏輯可在編譯、適配后變成網(wǎng)絡(luò)表下載到FPGA芯片上之后，F(xiàn)PGA即可執(zhí)行設(shè)計(jì)的邏輯功能。因此，F(xiàn)PGA在芯片控制、接口邏輯設(shè)計(jì)等各個(gè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

??? 本方案采用的FPGA為Alter公司的ACEX1K30芯片，它可提供系統(tǒng)的時(shí)鐘及讀寫控制，ACEX系列的FPGA由邏輯陣列塊LAB（Logic array block）、嵌入式陣列塊EAB（embedded array block）、快速互聯(lián)以及IO單元構(gòu)成，每個(gè)邏輯陣列塊包含8個(gè)邏輯單元LE（logic element）和一個(gè)局部互聯(lián)[1]。每個(gè)邏輯單元?jiǎng)t由一個(gè)4輸入查找表（LUT）、一個(gè)可編程觸發(fā)器、快速進(jìn)位鏈、級(jí)連鏈組成，多個(gè)LAB和多個(gè)EAB則可通過(guò)快速通道互相連接。EAB是ACEX系列器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一個(gè)重要部件，他是輸入端口和輸出端口都帶有觸發(fā)器的一種靈活的RAM塊，其主要功能是實(shí)現(xiàn)一些規(guī)模不太大的FIFO、ROM、RAM和雙端口RAM等。在本液晶顯示接口電路中，EAB主要用宏功能模塊實(shí)現(xiàn)片上ROM。它通過(guò)調(diào)用FPGA上的EAB資源來(lái)實(shí)現(xiàn)漢字的顯示和字符的存儲(chǔ)，并根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生的地址值從ROM中讀取字符值，然后送LCD顯示器進(jìn)行顯示。

??? 由于所用的圖形點(diǎn)陣液晶塊內(nèi)置有SED1520控制器，所以，其電路特性實(shí)際上就是SED1520的電路特性。SED1520的主要特性如下[2]：

??? 具有液晶顯示行驅(qū)動(dòng)器，具有16路行驅(qū)動(dòng)輸出，并可級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)32行驅(qū)動(dòng)。

??? 具有液晶顯示列驅(qū)動(dòng)器，共有61路列驅(qū)動(dòng)輸出。

??? 內(nèi)置時(shí)序發(fā)生器，其占空比可設(shè)置為1/16和1/32兩種。

??? 內(nèi)藏顯示存儲(chǔ)器，顯示存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)可直接顯示，"1"為顯示，"0"為不顯示。

??? 接口總線時(shí)序可適配8080系列或M6800系列，并可直接與計(jì)算機(jī)接口。

??? 操作簡(jiǎn)單，有13條控制指令。

??? 采用CMOS工藝，可在電壓低至2.4-7.0V時(shí)正常工作，功耗僅30μW。

??? 本設(shè)計(jì)所用的字符液晶模塊CM12232由兩塊SED1520級(jí)連驅(qū)動(dòng)，其中一個(gè)工作在主工作方式下，另一個(gè)工作在從方式下，主工作方式SED1520負(fù)責(zé)上半屏16行的驅(qū)動(dòng)和左半屏的61列驅(qū)動(dòng)，從工作方式的SED1520則負(fù)責(zé)下半屏16行的驅(qū)動(dòng)和右半屏的61列驅(qū)動(dòng)，使能信號(hào)E1、E2用來(lái)區(qū)分具體控制的是那一片SED1520，其系統(tǒng)的硬件連接圖如圖1所示。

??? 由圖1可見(jiàn)，該系統(tǒng)的硬件部分連接十分簡(jiǎn)單，其中FPGA部分沒(méi)畫出，而液晶與FPGA的接口則可直接以網(wǎng)表的形式給出，將它們直接與FPGA的普通I/O引腳相連即可。

系統(tǒng)的軟件接口實(shí)現(xiàn)

??? 具體實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是如何從存放有字符的ROM塊中讀出數(shù)據(jù)，并按照液晶的時(shí)序正確的寫入，在介紹具體實(shí)現(xiàn)方法前，首先要熟悉SED1520的指令。

??? SED1520的控制指令表

??? SED1520的幾種主要的控制指令格式如下：

（1）復(fù)位格式（Reset）

??? 該指令用于實(shí)現(xiàn)SED1520的軟件復(fù)位。該指令執(zhí)行時(shí)，顯示起始行寄存器清零，接著列地址指針清零，之后頁(yè)地址寄存器置為"3"。

（2）休閑狀態(tài)設(shè)置（Statis drive ON/OFF）
?
??? 該指令是休閑狀態(tài)的軟件開(kāi)關(guān)，當(dāng)S=1時(shí)，SED1520進(jìn)入休閑狀態(tài)；當(dāng)S=0時(shí)，SED1520將中止或退出休閑狀態(tài)。

（3）占空比設(shè)置（Slect duty）
?
??? 該指令用于設(shè)置SED1520的占空比，Du=0時(shí)為1/16占空比，Du為1時(shí)為1/32占空比。

（4）ADC選擇指令（Selet ADC）
?
??? 該指令用于設(shè)置顯示存儲(chǔ)器中單元的地址所對(duì)應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)輸出的順序。A=0時(shí)，順時(shí)針顯示；A=1時(shí)，逆時(shí)針顯示。

（5）顯示起始行設(shè)置（Display start line）
?
??? 該指令可用于設(shè)置顯示屏上第一行（行驅(qū)動(dòng)輸出COMO所對(duì)應(yīng)的顯示行）所對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器的行號(hào)，由此行順序下延可得到對(duì)應(yīng)顯示屏上的顯示效果，L=0-31（1FH），對(duì)應(yīng)表示顯示存儲(chǔ)器的第1-32行。

（6）顯示開(kāi)/關(guān)設(shè)置（Display ON/OFF）
?
??? 該指令控制著顯示驅(qū)動(dòng)器的輸出。當(dāng)Di=0時(shí)，顯示關(guān)，當(dāng)Di=1時(shí)，顯示開(kāi)。

（7）頁(yè)面顯示存儲(chǔ)的設(shè)置
?
??? SED1520將顯示存儲(chǔ)器分為4個(gè)頁(yè)面（0-3頁(yè)）。每個(gè)頁(yè)面都有80個(gè)字節(jié)。頁(yè)面管理可由2位頁(yè)地址寄存器控制，該指令就是設(shè)置頁(yè)地址寄存器的內(nèi)容，以選擇相應(yīng)的顯示寄存器的頁(yè)面。P=0-3，對(duì)應(yīng)代表0-3頁(yè)。

（8）列地址設(shè)置（Set column（segment）address）
?
??? SED1520的顯示存儲(chǔ)器的每個(gè)頁(yè)面上都有80個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)中的8位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著顯示屏上同一列的8點(diǎn)行，列地址指針就是管理這80個(gè)字節(jié)單元的，列地址指針是一個(gè)7位加一計(jì)數(shù)器，由它和頁(yè)地址寄存器組合，可唯一指定顯示存儲(chǔ)器的某一個(gè)單元，列地址指針在計(jì)算機(jī)對(duì)顯示存儲(chǔ)器的每次操后都將自動(dòng)加一。該指令就是設(shè)置列地址指針內(nèi)容的。當(dāng)CY=0-4FH，分別對(duì)應(yīng)于1-80單元的地址。

頂層設(shè)計(jì)大批量

??? 本設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)的頂層設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

??? 圖2中l(wèi)pm_rom模塊是利用FPGA的宏功能模塊產(chǎn)生的片上ROM塊[3]，用以存放要顯示的字符數(shù)據(jù)。ctrl模塊則為控制從ROM中取出數(shù)據(jù)后液晶上顯示的核心控制模塊，其功能包括控制數(shù)據(jù)的讀寫時(shí)序、液晶屏的分屏顯示控制、分頁(yè)顯示控制等。

控制模塊程序代碼

??? ctrl模塊的程序核心代碼如下：

architecture Behavioral of ctrl is

signal divcnt：std_logic_vector（11 downto 0）；--系數(shù)計(jì)數(shù)

signal data：std_logic_vecdor（9 downto 0）；--地址輸出

Signal clk1，clk2，a01，cs11，cs21，flag，csflag：std_logic；

data<=divcnt（11 downto 2）；--最高10位為地址

process3（clk2）

begin

if clk2＇event and clk2=｀1＇then case conv_integer （data）is

when 0|2|4|6|8|10|12|13|138|139|264|265|390|391=>A01<=｀0＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 1|3|5|7|9|11|75|76|201|202|327|328|453|454=>A01<=｀0＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 14 to 74=>A01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 140 to 200=>A01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=1＇；

when 266 to 326=>A01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 392 to 452=>A01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 77 to 137=>A01<=｀1＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 203 to 263=>A01<=｀1＇；cs11>=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 329 to 389=>A01<=｀1＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 455 to 515=>A01<=｀1＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when others=>A01<=｀0＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀1＇；

end case；

end if；

end process3；

a0<=a01；

cs1<=cs11 or csflag；

cs2<=cs21 or csflag；

ad<=data；

end Behavioral；

??? 其中的關(guān)鍵程序?yàn)镻rocess3；在該過(guò)程中，A01負(fù)責(zé)該數(shù)據(jù)寫到液晶數(shù)據(jù)線上顯示還是寫到液晶的控制寄存器進(jìn)行控制，A01為0時(shí)為寫命令，A01為1時(shí)為寫數(shù)據(jù)。

??? 程序中，ROM地址的前13個(gè)單元均為寫命令，根據(jù)SED1520的控制命令字，ROM表中的0、2、4、6、8、10單元依次是E2、A4、A9、A0、C0、AF，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)CSI主工作的SED1520復(fù)位、退出休閑狀態(tài)、設(shè)置占空比為1/32、順時(shí)針顯示數(shù)據(jù)RAM中的內(nèi)容、顯示起始對(duì)應(yīng)顯示存儲(chǔ)器的0行、顯示開(kāi)這一系列的初始化工作；而1，3，5，7，9，11單元?jiǎng)t寫入到CS2（即從工作的SED1520）實(shí)現(xiàn)其初始化[4]。第13單元放的是B8（即頁(yè)地址設(shè)置為0）,從14-74單元，A01=1為寫數(shù)據(jù)，此時(shí)片選CS1有效，ROM表中連續(xù)放入"武漢理工"4個(gè)漢字的上半部分字模（本方案共顯示16個(gè)漢字"武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室"分兩行，每行8個(gè)字顯示）；之后，75、76單元為寫命令，ROM中的數(shù)據(jù)為B8，00表示設(shè)置顯示頁(yè)為0頁(yè)，該頁(yè)的列地址從0開(kāi)始[5]。從77-137單元地址向CS2（即從動(dòng)工作方式的SED1520）寫數(shù)據(jù)即"大學(xué)自動(dòng)"的前半部分字模，接下來(lái)的138、139單元為寫命令，ROM中的數(shù)據(jù)為B9，00即表示頁(yè)地址設(shè)置為1列，地址為0，140-200單元放入"武漢理工"的下半部分字模，201、202單元為寫命令，ROM中的數(shù)據(jù)為B9、00表示頁(yè)地址設(shè)置為1列，地址為0，203-263中為"大學(xué)自動(dòng)"的下半部分字模，之后，8個(gè)字的寫入過(guò)程與前8個(gè)字的寫入過(guò)程相同，寫命令單元用于控制要寫的頁(yè)。

結(jié)束語(yǔ)

??? 本方案以FPGA為控制核心實(shí)現(xiàn)了對(duì)字符點(diǎn)陣液晶的控制，該方案硬件電路簡(jiǎn)單，軟件程序簡(jiǎn)潔，對(duì)液晶的控制簡(jiǎn)單而且穩(wěn)定，且可靈活改動(dòng)，若要改變液晶顯示的漢字，只需改變ROM表中的字模即可，實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)是對(duì)液晶應(yīng)用的一種行之有效的方法。