基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設(shè)計(jì)

摘要：通過對(duì)LCD1602／LCD12864顯示模塊控制時(shí)序和指令集的對(duì)比分析，利用Verilog HDL描述語言完成了多功能LCD顯示控制模塊的IP核設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的LCD顯示控制器具有很好的可移植性，只需通過端口的使能參數(shù)配置便可以驅(qū)動(dòng)LCD1602／LCD12864模塊實(shí)現(xiàn)字符或圖形的實(shí)時(shí)顯示，并且該多功能LCD控制器的可行性也在CycloneⅡ系列的EP2C5T144C8 FPGA芯片上得到了很好的驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：FPGA；LCD顯示控制器；IP棱；有限狀態(tài)機(jī)

    在許多嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，都需要友好的人機(jī)信息界面，傳統(tǒng)的數(shù)碼管或者發(fā)光二極管顯示方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際的顯示需求，而LCD1602／LCD12864液晶顯示模塊具有低壓微功耗、壽命長、顯示信息量大、超薄等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能儀器、儀表等各種便攜式電子信息產(chǎn)品上來實(shí)現(xiàn)數(shù)字、字符和圖形的可視化信息顯示。目前，針對(duì)LCD1602／LCD12864液晶模塊的顯控技術(shù)主要有兩種方式，首先是基
于各種微處理器(8051／ARM／NoisⅡ／SPCE061)的微程序控制方式，這種軟件組態(tài)的LCD模塊控制技術(shù)應(yīng)用廣泛，但是這種控制方式會(huì)占用處理器資源、速度慢、實(shí)時(shí)顯示性能較差。其次，就是使用CPLD／FPGA開發(fā)的獨(dú)立顯示控制器，這種純硬件結(jié)構(gòu)的獨(dú)立顯示控制器，速度快、實(shí)時(shí)顯示性能好；但是這種獨(dú)立顯示控制器可移植性差、功能單一，很難適應(yīng)不同類型的液晶屏及不同的顯示模式。
    因此，文中就提出了一個(gè)基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設(shè)計(jì)方案，只需通過端口的使能參數(shù)配置便可以驅(qū)動(dòng)LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊實(shí)現(xiàn)字符或圖形的實(shí)時(shí)顯示，并在FPGA開發(fā)板(EP2C5T144C8)上進(jìn)行了該設(shè)計(jì)的可行性驗(yàn)證。

1 多功能顯示控制器的端口設(shè)計(jì)
    要設(shè)計(jì)能夠驅(qū)動(dòng)LCD1602／LCD12864兩種液晶模塊的多功能顯示控制器，就必須同時(shí)兼顧這二者的封裝端口引腳和用途；對(duì)多功能顯示控制器的端口做出兼容性設(shè)計(jì)。
    LCD1602液晶模塊是一款最常用、最便宜的工業(yè)字符型液晶顯示屏，它可以顯示16x2個(gè)、5x7的點(diǎn)陣字符，模塊的字模存儲(chǔ)器CGROM(Chara cter Generator ROM)中固化192個(gè)常用字符的字模，另外還有8個(gè)允許用戶自定義的字符存儲(chǔ)器CGRAM(Character Generator RAM)?？梢杂糜谏倭康淖远x圖形顯示(如漢字)。由于顯示單元位間隔和行間隔的存在而導(dǎo)致顯示效果不好，因此LCD1602模塊主要用于西文、ASCII碼字符的顯示，該模塊擁有1個(gè)16引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義如表1所示。

    目前，常用的LCD12864模塊是一種內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣型圖形液晶顯示模塊；具有串／并多種接口方式，內(nèi)置了8 192個(gè)16x16點(diǎn)漢字和128個(gè)16x8點(diǎn)ASCⅡ字符集，它在字符顯示模式下可以顯示8x4個(gè)16x16點(diǎn)陣的漢字或16x4個(gè)16x8點(diǎn)陣的西文(ASCH)字符；它也可以在圖形工作模式下顯示分辨率為128x64的二值化圖形，該模塊擁有1個(gè)20引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義與LCD1602的對(duì)比如表1所示。
    通過表1所示的LCD12864和LCD1602兩種液晶模塊的端口對(duì)比可以看出，它們的端口定義基本相同，LCD12864模塊只比LCD16021模塊多了PSB(串并選擇)和RST(復(fù)位端)端口，因此；可以完全按照LCD12864的端口要求來設(shè)計(jì)多功能LCD顯示控制器的端口；PSB和RST端口在驅(qū)動(dòng)LCD 1602模塊時(shí)閑置或懸空(也可以用來充當(dāng)某些特殊LCD1602屏的電源開關(guān)和背光開關(guān)信號(hào))。

2 多功能顯示控制器的操作時(shí)序
    如果LCD12864液晶模塊工作在并口的數(shù)據(jù)傳輸模式(PSB=1、RST=1)下，就和LCD1602液晶模塊具有完全相同的控制時(shí)序，這就要求多功能控制器產(chǎn)生的E、RW、RS控制信號(hào)具有正確的時(shí)序，LED模塊的讀／寫操作時(shí)序由使能信號(hào)E完成：對(duì)讀／寫操作的識(shí)別是判斷RW信號(hào)上的電平狀態(tài)；RS信號(hào)用于識(shí)別數(shù)據(jù)總線DB0～DB7上的數(shù)據(jù)是指令代碼還是屬于顯示數(shù)據(jù)，控制信號(hào)的操作時(shí)序如圖1所示。

    在如圖1所示的操作時(shí)序圖形中，LCD模塊都給出了關(guān)鍵時(shí)間參數(shù)(不同廠商產(chǎn)品有差異)，一般要求數(shù)據(jù)讀寫周期TC≥13μs；使能脈沖寬度TPW≥1．5 μs；數(shù)據(jù)建立時(shí)間TDSW≥1μs；數(shù)據(jù)保持時(shí)間TH≥20 ns；地址建立和保持時(shí)間(TAS和TAH)不得小于1．5μs，因此在多功能LCD顯示控制器IP核的設(shè)計(jì)中，必須設(shè)置有延時(shí)配置參數(shù)以滿足控制器的多種模塊驅(qū)動(dòng)調(diào)試。
    LCD12864和LCD1602液晶模塊都有自己一套嚴(yán)格用戶指令集，用戶就是通過這些指令來初始化液晶模塊來選擇顯示模式，這就要求多功能的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器同時(shí)包含多種顯示模式的用戶配置指令，LCD12864和LCD1602液晶模塊字符、圖形顯示模式的初始化指令如表2所示，對(duì)于指令的解釋在此不再詳述。

    通過表2的指令對(duì)比可以看出兩種顯示模塊的字符顯示初始化指令完全一致，僅僅是顯示行的起始地址有所不同；這就需要在LCD多功能顯示控制器中設(shè)置參數(shù)跳轉(zhuǎn)，來根據(jù)模塊配置參數(shù)自動(dòng)加載相應(yīng)的行起始地址，而對(duì)于LCD模塊的圖形顯示模式需要用到擴(kuò)展指令集，并且需要分成上下兩個(gè)半屏設(shè)置起始地址，上半屏垂直坐標(biāo)Y：8’h80~9’h9F(32行)，水平坐標(biāo)X：8’h80；下半屏垂直坐標(biāo)和上半屏相同，而水平坐標(biāo)X：8’h88。

3 多功能顯示控制器的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
    基于FPGA設(shè)計(jì)LCD顯示控制器，關(guān)鍵在于采用硬件描述語言設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)(FSM)來控制LCD模塊的跳轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)中就是使用FSM實(shí)現(xiàn)了對(duì)LCD模塊的顯示控制，但是它們都是針對(duì)一種類型LCD模塊的某種顯示模式，不具有多模式的顯示控制能力。因此，多功能LCD顯示控制器的有限狀態(tài)機(jī)就需要設(shè)置更多的條件轉(zhuǎn)換，來實(shí)現(xiàn)多種控制模式，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

    在圖2所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中，系統(tǒng)上電后，首先完成持續(xù)大約0．1 s(根據(jù)時(shí)鐘頻率配置)的自動(dòng)復(fù)位，然后才根據(jù)模塊的端口參數(shù)選擇不同顯示模式所對(duì)應(yīng)的初始化命令，在狀態(tài)機(jī)中設(shè)置有初始化命令、起始行地址和屏顯示數(shù)據(jù)3條轉(zhuǎn)換路徑來適應(yīng)LCD屏的工作狀態(tài)，同時(shí)也在關(guān)鍵轉(zhuǎn)換路徑上設(shè)置有可以配置的延時(shí)循環(huán)，這樣既能方便LCD模塊的工作調(diào)試，又能使LCD模塊一直工作在寫屏模式(RW=0)。對(duì)于LCD屏的顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以完全采用FPGA內(nèi)嵌的ROM／RAM單元實(shí)現(xiàn)，如果使用雙口RAM(存儲(chǔ)器讀寫?yīng)毩?就能實(shí)現(xiàn)LCD模塊的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

4 多功能顯示控制器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證
    使用康芯KX7C5T FPGA開發(fā)板(Altera CycleⅡEP2C5T144C8)、KBl2864KZK、RT1602C和4x4鍵盤組成多功能LCD控制器的硬件測試平臺(tái)；設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)過QuartusⅡ9．1開發(fā)工具的工程編譯和芯片下載配置后得到的實(shí)際顯示效果圖如圖3所示，其中圖3(a)是LCD1602模塊的字符顯示效果圖；屏的第1行顯示靜態(tài)字符，第2行實(shí)時(shí)顯示鍵盤輸入鍵值。圖3(b)是LCD12864模塊的中西文混合字符顯示效果圖，第4行也是實(shí)時(shí)顯示鍵盤輸入鍵值。圖3(c)是LCD12864模塊的靜態(tài)圖片顯示效果圖(ROM存儲(chǔ))；圖3(d)是LCD12864模塊的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形顯示效果圖(雙口RAM存儲(chǔ))，這是用多功能LCD顯示控制器實(shí)現(xiàn)的邏輯分析儀界面。

5 結(jié)論
    文中設(shè)計(jì)的多功能LCD顯示控制器，在FPGA開發(fā)板上的驗(yàn)證結(jié)果表明，它完全具有能夠驅(qū)動(dòng)LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊顯示字符和實(shí)時(shí)顯示圖形的功能；并能夠通過端口參數(shù)配置而實(shí)現(xiàn)控制器的系統(tǒng)移植。