基于FPGA和Verilog的液晶顯示控制器設計

液晶顯示器由于具有低壓、微功耗、顯示信息量大、體積小等特點，在移動通信終端、便攜計算機、GPS衛(wèi)星定位系統等領域有廣泛用途，成為使用量最大的顯示器件。液晶顯示控制器作為液晶驅動電路的核心部件通常由集成電路組成，通過為液晶顯示系統提供時序信號和顯示數據來實現液晶顯示。本設計是一種基于FPGA(現場可編程門陣列)的液晶顯示控制器。與集成電路控制器相比，FPGA更加靈活，可以針對小同的液晶顯示模塊更改時序信號和顯示數據。FPGA的集成度、復雜度和面積優(yōu)勢使得其日益成為一種頗具吸引力的高性價比ASIC替代方案。本文選用Xilinx公司的SpananIII系列XC3S200器件，利用硬件描述語言Verilog設計了液晶顯示擰制器，實現了替代專用集成電路驅動控制LCD的作用。

1 功能分析與設計要求

液晶顯示模塊(LCM)采用深圳拓撲微LM2028、STN圖形點陣液晶顯示模塊，5.7in，320×240點陣，邏輯電壓輸入為3．0～5．0V，4位控制接口，具有行列驅動電路，白光LED背光源。表l為該液晶顯示模塊的引腳功能描述。

液晶顯示器的掃描方式是逐行掃描，當一行被選通以后，這一行中的各列信號同時加到列上，并維持一個掃描行的時間。這一行維持時間結束后，即選通下一行，同時各列電極也施加下一行的顯示電壓。

列驅動器邏輯電路由移位寄存器和鎖存器構成，在一個顯示數據位移脈沖信號CP作用下，將一組顯示數據(4位)位移到寄存器中并保持。當下一個CP到來后。移位寄存器中第1位顯示數據被移至第2位，這樣在80個CP脈沖作用下，一行顯示數據被存入寄存器后，寄存器并口對接鎖存器，在鎖存脈沖LP的作用下，該行數據被鎖存到鎖存器內輸出給列電極。鎖存脈沖LP的間隔為一個行周期，而行移位脈沖間隔也為一個行周期，因此二者是一致的。

幀掃描信號FLM即為行選通信號，脈寬為一行時間，在行移位脈沖LP作用下，存入移位寄存器后逐行位移，在一幀的最后一行輸出高電平，代表下一幀的開始。M為液晶顯示交流驅動波形信號，即一幀改變一次波形的極性，防止液晶單方向扭曲變形。更為詳細的時序關系如圖1所示。

2 設計與實現

2.1 液晶控制器總體設計

本設計的液晶顯示器刷新頻率為70Hz，每一幀周期為14．28ms，每一行周期為60μs，時鐘信號CP的頻率為2 MHz，將一行數據輸入列移位寄存器的時間為40μs，因此每一行設計了20μs的空白時間。

液晶控制器系統原理如圖2所示。時鐘模塊采用Xilinx公司的Coregen IP工具定制，數字時鐘管理器DCM模塊將FPGA 50 MHz時鐘信號CLK_IN 25分頻為2 MHz控制器時鐘信號CLK。DCM采用了數字延遲鎖相環(huán)技術來消除時鐘相位的位移，提供比自行分頻更穩(wěn)定的時鐘信號，以滿足控制系統要求。CONTROLLER模塊為LCM提供滿足圖l所示時序要求的控制信號CP、LP、FLM、M、DISPOFF，并且同步產生SRAM的讀地址ADDRA[14：0]。

SRAM為內存模塊。為了提高輸入LCD的數據流速度．設計了32K×4位的艤端口內存，可同時實現讀/寫，并實現數據格式的轉化，由上位機MCU輸入的8位數據轉為輸入LCM列驅動器的4位數據；B端口由MCU_INTERFACE與上位機MCU連接，由MCU微控制器將顯示數據寫入內存SRAM。其中，ADDRB[13：0]控制16K×8位的寫地址，DINB[7：O]為寫入數據，WEB為寫有效控制，CLKB為寫時鐘；A端口由CONTROLLER模塊控制讀地址ADDRA[14：0]，讀時鐘CLKA由系統時鐘信號CLK控制，DOUTA[3：0]將數據寫入LCM列驅動器。

2.2 控制模塊設計

應用狀態(tài)機的方法，用Verilog硬件描述語言設計控制模塊CONTROLLER。CLK為2 MHz輸入時鐘信號。LP和內部控制信號DEN由狀態(tài)機1控制產生，FLM由狀態(tài)機2控制產生，M由狀態(tài)機3控制產生，CP信號和ADDRA[14：0]根據CLK和DEN信號控制得到。狀態(tài)機1有3個狀態(tài)：狀態(tài)1，LP為O，DEN為1，持續(xù)80個CLK脈沖后轉向狀態(tài)2；狀態(tài)2，LP為l，DEN為0，持續(xù)1個CLK脈沖后轉向狀態(tài)3；狀態(tài)3，LP為O，DEN為O，持續(xù)39個CLK脈沖后轉向狀態(tài)1。狀態(tài)機2有2個狀態(tài)：狀態(tài)1，FLM為l，持續(xù)1個LP周期時間，即120個CLK脈沖；狀態(tài)2，FLM為O，持續(xù)剩下的239個LP周期，即28 680個CLK脈沖。狀態(tài)機3有2個狀態(tài)，狀態(tài)l，M為1。持續(xù)1個FLM周期時間，即28800個CLK脈沖；狀態(tài)2，M為0，也持續(xù)1個FLM周期時間。CP信號和ADDRA由于含有空白信號，所以由內部控制信號DEN和時鐘信號CLK得到。以下為設計的源代碼初始化部分：
 

3 仿真、下載測試分析

在ISE6．3環(huán)境下完成控制器設計后，在MODELSIM6．1b環(huán)境下完成仿真測試，波形如圖3所示。

仿真波形結果符合設計要求。完成仿真后，經過綜合實現，生成編程文件并且通過下載軟件實現對Xilinx公司FPGA器件XC3S200編程，并用泰克邏輯分析儀TLA721分析測試，所得結果如圖4所示。

圖4中各控制信號之間的時序關系完全符合設計要求。測得一個CP脈沖周期為500ns，在每行結束處有40個CP脈沖周期約20μs的空白信號；LP周期為60μs，高電平持續(xù)時間為500 ns，即一個CP周期；FLM周期為14．28 ms，約為70 Hz，高電平持續(xù)時間為60μs，即1個LP周期。測試結果表明，本設計液晶控制器完全符合LCM對控制信號的要求。

結語

利用硬件描述語言Verilog設計LCM控制器的方法，具有減小電路板尺寸、易于集成到片上系統、縮小系統體積、方便修改、適應不同液晶顯示器等特點，具有很好的可重用性；同時也是后續(xù)開發(fā)其他種類液晶顯示控制器的基礎。

本液晶顯示控制器與MCU組成顯示系統后，MCU將顯示數據寫入SRAM中，控制器將顯示數據讀出并與控制信號同步送入LCM中，很好地實現了圖形顯示。表明該液晶顯示控制器成功地替代了傳統的ASIC液晶控制器，具有良好的應用前景。