FPGA控制的LCD顯示電路設(shè)計(jì)

1、FPGA控制的LCD顯示電路設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解12864點(diǎn)陣型液晶顯示器的顯示原理。2掌握12864點(diǎn)陣型液晶顯示器的接口設(shè)計(jì)。3.利用12864點(diǎn)陣型液晶顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn)LCD廣告字幕機(jī)的設(shè)計(jì)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求利用12864點(diǎn)陣型液晶顯示模塊設(shè)計(jì)一個(gè)可顯示圖形和中文字符的LCD廣告字幕機(jī)。1.基本要求：能夠顯示圖形和文字。要求顯示的圖形或文字穩(wěn)定、清晰無(wú)串?dāng)_。在目測(cè)條件下LCD顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足。2.提高要求圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。顯示屏刷新頻率要求達(dá)到85Hz。一.引言L(fǎng)CD液晶顯示器是LiquidCrystalDisplay的簡(jiǎn)稱(chēng)，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃

2、當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線(xiàn)，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線(xiàn)折射出來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面。比CRT要好的多，但是價(jià)錢(qián)較其它顯示器貴。FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(LogicCellArray)這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(ConfigurableLogic

3、Block)、輸出輸入模塊IOB(InputOutputBlock)和內(nèi)部連線(xiàn)(Interconnect)三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶(hù)不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳。FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。二.工作原理四、12864點(diǎn)陣型液晶顯示器本設(shè)計(jì)所用的JM12864A是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器及128X64全點(diǎn)陣液晶顯示器組

4、成?？赏瓿蓤D形顯示；也可以顯示8X4個(gè)(16X16點(diǎn)陣)漢字。1.12864點(diǎn)陣型液晶顯示器的顯示原理12864液晶顯示屏共有128X64點(diǎn)陣，即每行顯示128點(diǎn)，每列顯示64點(diǎn)。此種型號(hào)的液晶顯示屏以中間間隔平均劃分為左屏和右屏分別顯示，均為64X64點(diǎn)陣，而且各自都有獨(dú)立的片選信號(hào)控制選擇。先顯示左屏，左屏全部顯示完后才能顯示右屏。顯示屏上的顯示數(shù)據(jù)由顯示數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)器DDRAM提供。DDRAM每字節(jié)中的每1個(gè)bit,對(duì)應(yīng)顯示屏上的1個(gè)點(diǎn)。bit值為1,對(duì)應(yīng)點(diǎn)顯示，反之不顯示。DDRAM與顯示屏的對(duì)應(yīng)位置如圖1所示。每半屏顯示數(shù)據(jù)共有512字節(jié)的DDRAM，分為8個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)來(lái)管理，這些頁(yè)對(duì)應(yīng)

5、顯示屏從上到下編號(hào)為07頁(yè)，每頁(yè)64字節(jié)，涵蓋半邊顯示屏的64行X64列X8bit點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。向顯示屏寫(xiě)數(shù)據(jù)實(shí)際上是向DDRAM中寫(xiě)數(shù)據(jù)，DDRAM不同頁(yè)和不同列中的字節(jié)數(shù)據(jù)唯一對(duì)應(yīng)顯示屏一行的8個(gè)顯示點(diǎn)。例如，向DDRAM第0頁(yè)的第0列寫(xiě)入數(shù)據(jù)00010100B,則顯示屏左上角第0列的8個(gè)顯示點(diǎn)只有從上往下的第3和5點(diǎn)顯示。不同頁(yè)和不同列DDRAM的尋址，通過(guò)左半屏和右半屏各自的頁(yè)地址計(jì)數(shù)器和列地址計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)顯示屏DDRAM寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)前，需要先設(shè)置頁(yè)地址和列地址。00-000000OOQOOOOOOOOOOOQOO00000000000000-5OOOQOOOOOOOQOOOOO000

6、0000000000000O00O000OOO0OOOOOOOOQOOOO00000000ooocQQ000000000000000000000000000000000圖112864液晶顯示屏與內(nèi)部RAM的對(duì)應(yīng)關(guān)系212864液晶顯示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳1)12864液晶顯示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)12864液晶顯示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2。圖212864點(diǎn)陣型液晶顯示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖IC1控制模塊的左半屏，IC2控制模塊的右半屏。IC3為行驅(qū)動(dòng)器。IC1,IC2為列驅(qū)動(dòng)器。IC1,IC2,IC3含有如下主要功能器件。了解如下器件有利于對(duì)LCD模塊的編程。指令寄存器(IR)IR是用來(lái)寄存指令碼，與數(shù)據(jù)寄存

7、器寄存數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)當(dāng)D/I=1時(shí)，在E信號(hào)下降沿的作用下,指令碼寫(xiě)入IR。.數(shù)據(jù)寄存器(DR)DR是用來(lái)寄存數(shù)據(jù)的，與指令寄存器寄存指令相對(duì)應(yīng)當(dāng)D/I=1時(shí)，在E信號(hào)的下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫(xiě)入DR，或在E信號(hào)高電平作用下由DR讀到DB7DBO數(shù)據(jù)總線(xiàn).DR和DDRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸是模塊內(nèi)部自動(dòng)執(zhí)行的。狀態(tài)寄存器有效數(shù)據(jù)位3位，用于記錄“忙”信號(hào)標(biāo)志位(BF),復(fù)位標(biāo)志位(RST)以及開(kāi)/關(guān)顯示狀態(tài)位(ON/OFF)。XY地址計(jì)數(shù)器XY地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)9位計(jì)數(shù)器。高三位是X地址計(jì)數(shù)器，低6位為Y地址計(jì)數(shù)器,XY地址計(jì)數(shù)器實(shí)際上是作為DDRAM的地址指針，X地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的頁(yè)指針，Y

8、地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的Y地址指針。X地址計(jì)數(shù)器是沒(méi)有記數(shù)功能的，只能用指令設(shè)置。Y地址計(jì)數(shù)器具有循環(huán)記數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫(xiě)入后，Y地址自動(dòng)加1，Y地址指針從0到63。顯示數(shù)據(jù)RAM(DDRAM)DDRAM是存貯圖形顯示數(shù)據(jù)的。DDRAM與地址和顯示位置的關(guān)系見(jiàn)圖1。Z地址計(jì)數(shù)器Z地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)6位計(jì)數(shù)器，此計(jì)數(shù)器具備循環(huán)記數(shù)功能，它是用于顯示行掃描同步。當(dāng)一行掃描完成，此地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1,指向下一行掃描數(shù)據(jù)，RST復(fù)位后Z地址計(jì)數(shù)器為0。Z地址計(jì)數(shù)器可以用指令DISPLAYSTARTLINE預(yù)置。因此，顯示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的數(shù)據(jù)從哪一行開(kāi)始顯示在屏幕的第一行。此模

9、塊的DDRAM共64行，屏幕可以循環(huán)滾動(dòng)顯示64行。2）12864液晶顯示器的外部引腳12864液晶顯示模塊共有20個(gè)引腳，包括8位雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)、6條控制線(xiàn)及電源線(xiàn)等。具體引腳功能見(jiàn)下表所示。管腳號(hào)管腳名稱(chēng)電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VDD5.0V電源電壓3V0-液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電壓4D/IH/LD/I-“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)D/I-“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”，DB7DBO的數(shù)據(jù)被寫(xiě)到IR或DR6EH/L使能信號(hào)：R/W-“L”,E信號(hào)下降沿鎖存DB7DB0R/W=“H”,E

10、=“H”DRAM數(shù)據(jù)讀到DB7DB0（使能端，高電平有效）7DB0H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)8DB1H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)9DB2H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)10DB3H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)管腳號(hào)管腳名稱(chēng)電平管腳功能描述11DB4H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)12DB5H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)13DB6H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)14DB7H/L數(shù)據(jù)線(xiàn)15CS1H/L左半屏片選信號(hào)，低電平有效16CS2H/L右半屏片選信號(hào)，低電平有效17RESETH/L復(fù)位信號(hào)，低電平復(fù)位18VEE-10VLCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓19IED+DC+5V背光板電源20IED-DC0V背光板電源312864液晶顯示器的編程指令1)顯示開(kāi)關(guān)控制(DISPLAYON/OFF)代碼R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB

11、3DB2DB1DB0形式0000111111設(shè)置屏幕顯示開(kāi)/關(guān)。D/I=1,開(kāi)顯示。D=0，關(guān)顯示。不影響DDRAM中的內(nèi)容。2)設(shè)置顯示起始行(DISPLAYSTARTLINE)代碼R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0形式0011A5A4A3A2A1A0前面在介紹Z地址計(jì)數(shù)器時(shí)已經(jīng)描述了顯示起始行是由Z地址計(jì)數(shù)器控制的。A5A06位地址自動(dòng)送入Z地址計(jì)數(shù)器，起始行的地址可以是063的任意一行。例如：選擇A5A0是62,則起始行與DDRAM行的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:DDRAM行：626301232829屏幕顯示行：12345631323)設(shè)置頁(yè)地址(SETPAGE“XADDRE

12、SS”)代碼R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0形式0010111A2A1A0所謂頁(yè)地址就是DDRAM的行地址，8行為一頁(yè),模塊共64行即8頁(yè),A2A0表示07頁(yè)。讀寫(xiě)數(shù)據(jù)對(duì)地址沒(méi)有影響，頁(yè)地址由本指令或RST信號(hào)改變復(fù)位后頁(yè)地址為0。4)設(shè)置Y地址(SETYADDRESS)代碼R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0形式0001A5A4A3A2A1A0此指令的作用是將A5A0送入Y地址計(jì)數(shù)器，作為DDRAM的Y地址指針。在對(duì)DDRAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作后，Y地址指針自動(dòng)加1,指向下一個(gè)DDRAM單元。5)讀狀態(tài)(STATUSREAD)代碼R/WD/IDB

13、7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0形式10BUSY0ON/OFFRET0000當(dāng)R/W=1D/I=0時(shí)，在E信號(hào)為“H”的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線(xiàn)(DB7DB0)的相應(yīng)位。BF：BF=1,內(nèi)部正在進(jìn)行操作，BF=0,空閑狀態(tài)。ON/OFF：ON/OFF=1,表示顯示打開(kāi)，ON/OFF=0,表示顯示關(guān)閉。RST:RST=1表示內(nèi)部正在初始化，此時(shí)組件不接受任何指令和數(shù)據(jù)。6)寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)(WRITEDISPLAYDATE)代碼R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0形式01D7D6D5D4D3D2D1D0D7DO為顯示數(shù)據(jù)，此指令把D7DO寫(xiě)入相應(yīng)的DDRAM單

14、元,Y地址指針自動(dòng)加1。7)讀顯示數(shù)據(jù)(READDISPLAYDATE)代碼R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0形式11D7D6D5D4D3D2D1D0此指令把DDRAM的內(nèi)容D7D0讀到數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB7DB0，Y地址指針自動(dòng)加1。五、12864點(diǎn)陣型液晶顯示器的接口電路設(shè)計(jì)通過(guò)前面對(duì)12864顯示屏引腳功能的分析可以知道,該模塊有一個(gè)整體的片選信號(hào)E”,只有當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，所有的電路才會(huì)有效。另外左右半屏各有一個(gè)選擇信號(hào)CS1和CS2，CS1和CS2各自為低電平時(shí)，分別選中左半屏和右半屏。為了區(qū)分讀寫(xiě)的是數(shù)據(jù)還是指令，還設(shè)置了一個(gè)數(shù)據(jù)/指令控制線(xiàn)D/I。根據(jù)這些原則

15、，設(shè)計(jì)出接口電路如圖3所示。由于CS0的地址范圍為280H-283H，由接口電路的設(shè)計(jì)可得液晶屏的相關(guān)地址，如下表。操作A1A0端口地址向左半屏寫(xiě)指令00280H向右半屏與指令10282H讀/寫(xiě)左半屏數(shù)據(jù)01281H讀/寫(xiě)右半屏數(shù)據(jù)11283H讀狀態(tài)寄存器00280H五、軟件設(shè)計(jì)對(duì)12864的具體結(jié)構(gòu)有了比較深入的了解，12864分左右兩屏，像素點(diǎn)為128*64個(gè)像素點(diǎn)，行有128個(gè)像素點(diǎn)，列有64個(gè)像素點(diǎn)，行又設(shè)置為8頁(yè)，在12864默認(rèn)狀態(tài)下中文字體都是16*16的大小，每個(gè)頁(yè)包含8個(gè)像素行，所以要顯示一個(gè)中文就需要2頁(yè)；初始行的設(shè)定可以使得你要顯示的字出現(xiàn)在任意你想要的位置。對(duì)液晶顯示器

16、的編程就是向DDRAM中寫(xiě)數(shù)據(jù)。在寫(xiě)DDRAM之前，需要先清除RAM,且左屏和右屏要分別進(jìn)行清除。方法就是向RAM的所有單元寫(xiě)入0值。12864寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候需要寫(xiě)七個(gè)指令分別是：“檢忙”，“寫(xiě)指令”，“寫(xiě)數(shù)據(jù)”，“寫(xiě)顯示開(kāi)關(guān)”，“寫(xiě)頁(yè)”，“寫(xiě)列”，“寫(xiě)初始行”。向LCD寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)的流程圖如下：液晶顯示器的編程流程如下圖：YLCD工作忙N已顯示64列NYNY頁(yè)地址已設(shè)置8次將起始頁(yè)地址存入BL頁(yè)地址加1設(shè)置頁(yè)地址設(shè)置列地址顯示RAM結(jié)束六.LCD的應(yīng)用廣告字幕機(jī)是用LCD輸出不同的漢字和圖形。要液晶顯示器顯示不同的圖形或漢字就是向DDRAM中寫(xiě)入不同的數(shù)據(jù)。根據(jù)前面所說(shuō)的液晶顯示屏與DDRA

17、M的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以構(gòu)造不同的數(shù)據(jù)來(lái)顯示不同的圖形和漢字。七實(shí)驗(yàn)結(jié)果用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行仿真后生成的波形如下圖所示：生成的RTL電路圖如下：I0李國(guó)洪，沈明山，胡輝編著，可編程器件EDA技術(shù)與實(shí)踐，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.7源程序附件如下：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYLCDISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;RS,RW,CS1,CS2,E:OUTSTD_LOGIC;ADDRESS:OUTSTD_LOGI

18、C_VECTOR(4DOWNTO0);Q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);END;ARCHITECTUREBEHAVOFLCDISTYPESTATESIS(ST0,ST1,ST2,ST3,ST4,ST5,ST6,ST7,ST8,ST9,ST10,ST11,ST12,ST13,ST14,ST15,ST16);-狀態(tài)定意SIGNALPRE_STATE,NEXT_STATE:STATES;SIGNALDATALOCK,EN,RST1:STD_LOGIC;SIGNALADDR:INTEGERRANGE0TO65:=0;SIGNALX*/(00100000),(0110000

19、0),(11100000),(11100000),(00100000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00100000),(11100000),(01100000),(00100000),(00000000),(00000000),(00000011),(00111111),(11111100),(11000000),(00000000),(00000000),(11100000),(00111100),(00000011),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),

20、(00000000),(00000001),(00011111),0 x7E,(00011110),(00000001),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),/*V,4*/(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(

21、00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(000

22、00000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),/*,5*/(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(

23、00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(000

24、00000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),/*,6*/(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(

25、00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(00000000),(000

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