基于FPGA的液晶顯示接口設(shè)計(jì)

現(xiàn)在繼電保護(hù)或者測(cè)控裝置的CPU大都使用TI的DSP或者飛思卡爾的POWERPC處理器，這些處理器速度快，主頻已經(jīng)達(dá)到幾百M(fèi)甚至1 G，但是這類裝置的顯示部分還是在使用基于行驅(qū)動(dòng)器KSOl07B和列驅(qū)動(dòng)器KS0108B的液晶顯示模塊。這些液晶顯示模塊價(jià)格低，控制簡(jiǎn)單，但液晶控制器速度慢，每寫(xiě)入1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)或命令大約需要5μs。一般情況下，液晶顯示模塊控制方式有高速CPU直接控制和附加單片機(jī)協(xié)助高速CPU控制液晶顯示模塊兩種。前者產(chǎn)生的問(wèn)題是處理器與液晶顯示模塊的速度嚴(yán)重失配，大大占用CPU的開(kāi)銷，后者產(chǎn)生的問(wèn)題是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度。因此這里提出一種利用XIUNX公司可編程邏輯器件FPGA實(shí)現(xiàn)異步FIFO和有限狀態(tài)機(jī)控制液晶顯示模塊的方法，CPU只需要把顯示數(shù)據(jù)寫(xiě)入高速FIFO緩沖器，寫(xiě)完一整屏數(shù)據(jù)后，由FPGA實(shí)現(xiàn)的液晶控制模塊讀出數(shù)據(jù)并寫(xiě)入到液晶模塊，這樣可以大幅度提高CPU的利用率，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1 液晶顯示模塊介紹
    128×64液晶顯示模塊是使用2片KS0108B作為列驅(qū)動(dòng)器，1片KS0107B作為行驅(qū)動(dòng)器組成的，另外還帶有負(fù)壓發(fā)生電路。由于KS0107B不與FPGA發(fā)生聯(lián)系。因此只要提供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及各種同步信號(hào)。每個(gè)KS0108B器件控制8頁(yè)(每頁(yè)8行像素)、64列像素的屏幕區(qū)域，因此兩個(gè)列控制器正好控制64行、128列的像素矩陣，左右半屏由其，引腳控制選擇。列控制器KS0108B的主要特點(diǎn)如下：內(nèi)置64×64共4 096位顯示RAM，RAM中每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)LCD屏上一個(gè)點(diǎn)的亮暗狀態(tài)；64路列驅(qū)動(dòng)輸出；讀寫(xiě)操作時(shí)序與68系列微處理器相符，因此，它可直接與68系列微處理器接口相連；占空比為1／32～1／64。圖1為KS0108B的顯示RAM的地址結(jié)構(gòu)。表1為128×64液晶顯示模塊的指令列表，表2為其引腳功能描述。

　[!--empirenews.page--]

 

　

2 基于免費(fèi)IP核實(shí)現(xiàn)異步FIFO的設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)所用的FPGA器件是XIUNX公司的XC3S100E，XC3S100E是SPARTAN3E系列的一款最低容量的FPGA，此系列FPGA利用90 nm工藝實(shí)現(xiàn)低成本高容量的需求，XC3S100E具有以下資源：2160個(gè)邏輯單元；RAM資源87 kb(其中BLOCK RAM 72 kb，分布式RAM 15 kb)；2個(gè)DCM；4個(gè)乘法器：可實(shí)現(xiàn)FIFO等多個(gè)IP核。
    在XILINX ISElO．1集成開(kāi)發(fā)工具下，容易利用XININX免費(fèi)IP核實(shí)現(xiàn)異步FIFO。異步FIFO是在2個(gè)相互獨(dú)立的時(shí)鐘域下，數(shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)鐘域?qū)懭隖IFO，而在另一個(gè)時(shí)鐘域下又從該FIFO中將數(shù)據(jù)讀出。異步FIFO通常被用來(lái)將數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘域安全傳送到另一個(gè)時(shí)鐘域。在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)IFO和液晶控制(LCD_CONTROL)模塊作為CPU和液晶顯示模塊之間的橋梁，使用FIFO作為輸入緩沖器，由CPU將需要顯示的字符或者圖形數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO，每寫(xiě)完一屏需要顯示的字符以及圖形便向液晶控制模塊發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)，用來(lái)通知液晶控制模塊讀取FIFO中的圖形或者字符數(shù)據(jù)，以便將此數(shù)據(jù)寫(xiě)入到128x64單色液晶顯示模塊中，這樣比CPU直接控制液晶模塊效率要高的多。[!--empirenews.page--]
    異步FIFO中的寫(xiě)時(shí)鐘WR_CLK、WR_EN以及FULL標(biāo)志是用來(lái)控制數(shù)據(jù)寫(xiě)入的，在時(shí)鐘的上升沿，如果寫(xiě)使能有效，則數(shù)據(jù)就會(huì)寫(xiě)入FIF0，如果持續(xù)寫(xiě)入，數(shù)據(jù)就會(huì)寫(xiě)滿，這時(shí)FULL信號(hào)就會(huì)有效，表示FIF0已經(jīng)寫(xiě)滿。同理讀時(shí)鐘RD_CLK、RD_EN以及EMPTY標(biāo)志是用來(lái)控制數(shù)據(jù)讀出的，在時(shí)鐘的上升沿，如果讀使能有效，則數(shù)據(jù)就會(huì)讀出FIFO，如果持續(xù)讀出，數(shù)據(jù)就會(huì)讀空，這時(shí)EMPTY信號(hào)就會(huì)有效，表示FIF0已經(jīng)讀空。FULL／EMPTY標(biāo)志能夠防止數(shù)據(jù)上溢和上溢，也可以用來(lái)控制數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀出。在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)ULL標(biāo)志表示CPU已經(jīng)把FIF0寫(xiě)滿，液晶控制模塊開(kāi)始把FIFO中的數(shù)據(jù)讀出同時(shí)寫(xiě)到液晶顯示模塊中。EMPTY標(biāo)志表示液晶控制模塊已經(jīng)把FIFO讀空，即把FIF0中所有的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到液晶顯示模塊中。實(shí)際上，在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)ULL／EMPTY就是CPU和液晶控制模塊的握手信號(hào)，當(dāng)FIF0空時(shí)，CPU才可以往液晶控制模塊中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，當(dāng)FIF0寫(xiě)滿時(shí)，液晶控制模塊才能從FIF0中讀取數(shù)據(jù)。圖2為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，圖中寫(xiě)入控制邏輯部分包括譯碼和信號(hào)整形電路，通過(guò)這些電路使CPU向FIFO寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)寫(xiě)使能信號(hào)WR_EN，寫(xiě)時(shí)鐘信號(hào)WR_CLK的正確的時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確寫(xiě)入。

    異步FIF0 IP核的參數(shù)指標(biāo)直接影響FIFO的寫(xiě)入速度，首先FIF0的寫(xiě)入速度快能夠減少CPU的開(kāi)銷，使CPU寫(xiě)滿FIF0花費(fèi)時(shí)間更少，這樣CPU可以有更多時(shí)間完成實(shí)時(shí)性更高的任務(wù)。其次FIFO的存儲(chǔ)深度要適宜，深度過(guò)大造成資源的浪費(fèi)，深度過(guò)小會(huì)造成控制復(fù)雜，這樣將占用更多的邏輯資源，同時(shí)會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計(jì)中的異步FIFO是利用ISEl0．1中的參數(shù)化的IP核在XC3S100E器件的實(shí)現(xiàn)。由于液晶顯示模塊共有128 x64個(gè)像素，每個(gè)字節(jié)可以控制8個(gè)像素，所以一個(gè)整屏共占用l 024個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū)，所以在參數(shù)化的FIF0設(shè)計(jì)中選擇FIF0深度為1 024，寬度為8位。

3 基于FPGA的液晶控制模塊
    由液晶指令列表(表1)和KS0108B的顯示RAM地址結(jié)構(gòu)(圖1)可以看出，128x64液晶顯示模塊的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，頁(yè)地址范圍為B8H～BFH，列地址范圍為40H～7FH，數(shù)據(jù)為縱向讀寫(xiě)，即每頁(yè)的第l行對(duì)應(yīng)BD0，第8行對(duì)應(yīng)BD7?？刂破鱇S0108的指令總共7條，即：指令顯示開(kāi)關(guān)設(shè)定3EH／3FH：顯示起始行設(shè)定C0H～FFH：頁(yè)地址設(shè)定B8H～BFH：列地址設(shè)定40H～7FH；狀態(tài)讀取；寫(xiě)數(shù)據(jù)；讀數(shù)據(jù)。

  [!--empirenews.page--]  由于在向液晶顯示模塊寫(xiě)數(shù)據(jù)和命令前，都要回讀液晶顯示模塊狀態(tài)。如果模塊內(nèi)部的控制器處于忙狀態(tài)，這時(shí)就要等待，直到液晶顯示模塊的控制器處于空閑狀態(tài)才能向模塊寫(xiě)數(shù)據(jù)和命令。從液晶顯示模塊手冊(cè)可以看到如果將數(shù)據(jù)或者命令寫(xiě)入液晶顯示模塊，主要是正確控制數(shù)據(jù)、命令寫(xiě)入時(shí)序。為了實(shí)現(xiàn)液晶控制命令或者數(shù)據(jù)的正確寫(xiě)入，這里設(shè)計(jì)了一個(gè)有限的狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。從該狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可以看出，此狀態(tài)機(jī)共有8個(gè)狀態(tài)，分別是：空閑、顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置、顯示起始行設(shè)置、數(shù)據(jù)頁(yè)設(shè)置、數(shù)據(jù)起始列設(shè)置、回讀、數(shù)據(jù)裝載、寫(xiě)數(shù)據(jù)。如果FIF0沒(méi)有數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)未寫(xiě)滿，狀態(tài)機(jī)一直在空閑狀態(tài)。當(dāng)FIF0滿時(shí)，狀態(tài)機(jī)就依次進(jìn)入顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置狀態(tài)(顯示打開(kāi)，寫(xiě)入命令代碼3FH)、顯示起始行設(shè)置狀態(tài)(設(shè)置顯示起始行，寫(xiě)入命令代碼COH)、數(shù)據(jù)頁(yè)設(shè)置狀態(tài)(設(shè)置起始頁(yè)，寫(xiě)人命令代碼B8H)、數(shù)據(jù)起始列設(shè)置狀態(tài)(設(shè)置起始列，寫(xiě)入命令代碼40H)，之后就進(jìn)人數(shù)據(jù)裝載，寫(xiě)數(shù)據(jù)，狀態(tài)回讀的循環(huán)中，每寫(xiě)完l列，液晶模塊的列地址自動(dòng)加l，直到寫(xiě)完一頁(yè)(64列)，頁(yè)地址加1，重新設(shè)置頁(yè)序號(hào)，數(shù)據(jù)起始列，再進(jìn)入寫(xiě)數(shù)據(jù)，狀態(tài)回讀的循環(huán)中，直到寫(xiě)完l片KS0108B控制的顯示存儲(chǔ)區(qū)。在控制第2片KS0108B時(shí)，F(xiàn)PGA液晶控制模塊自動(dòng)選通另一片KS0108B，重新設(shè)置該片液晶控制器．寫(xiě)入命令和數(shù)據(jù)，直到寫(xiě)滿整個(gè)顯示RAM。圖4為FPGA實(shí)現(xiàn)的液晶控制模塊的仿真。其中E為使能信號(hào)，CSA_N、CSB_N為液晶顯示模塊內(nèi)部液晶顯示控制的片選信號(hào)，低電平有效；D_I位數(shù)據(jù)命令選擇信號(hào)，RW為讀寫(xiě)信號(hào)，F(xiàn)ULL為FIF0滿信號(hào)，BD為數(shù)據(jù)總線，ENABLE為液晶控制模塊的使能信號(hào)，RESET_N為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。從圖4中可以看出：當(dāng)FIF0滿且有效時(shí)，也就是FULL=1時(shí)，液晶控制狀態(tài)機(jī)依次從空閑狀態(tài)寫(xiě)入命令代碼3FH(顯示開(kāi)關(guān)打開(kāi))、COH(顯示起始行設(shè)為0)、B8H(起始頁(yè)地址設(shè)為0)、40H(列地址設(shè)為0)，之后就進(jìn)入數(shù)據(jù)裝載，寫(xiě)數(shù)據(jù)，狀態(tài)回讀的循環(huán)中，直到把整個(gè)液晶顯示模塊顯示RAM寫(xiě)滿，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的液晶控制模塊重新進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待CPU把整個(gè)異步FIFO寫(xiě)滿。

    由于液晶模塊速度很慢，在用CPU直接控制時(shí)，CPU寫(xiě)數(shù)據(jù)和命令的時(shí)間twrite≥1μs，而且寫(xiě)數(shù)據(jù)和命令之前要有一個(gè)讀忙的時(shí)間tbu-sy，大約為4μs的時(shí)間，所以寫(xiě)數(shù)據(jù)和命令總的時(shí)間約為5μs，寫(xiě)滿整屏?xí)r間為5μs×1 024=5．12 ms，如果用CPU直接寫(xiě)入FIF0，因?yàn)楝F(xiàn)在的控制器總線速度很快，假設(shè)寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)需要50 ns，則寫(xiě)滿一整屏需要50 nsX1024=0．0512 ms，約是原來(lái)時(shí)間的1／100，節(jié)省了5 ms，提高了CPU的利用率。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文利用XIUNX SPARTAN3E系列FPGA器件實(shí)現(xiàn)異步FIFO和液晶控制功能模塊的設(shè)計(jì)，CPU不用直接控制液晶模塊，也不用增加單片機(jī)協(xié)助CPU控制液晶模塊，CPU只需把顯示的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FPGA實(shí)現(xiàn)的FIF0緩沖區(qū)，剩下的任務(wù)交給FPGA實(shí)現(xiàn)的液晶控制模塊處理，以便CPU去處理實(shí)時(shí)性高的任務(wù)，大大提高了CPU的利用率。