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[導讀]基于FPGA和硬件描述語言Verilog的液晶顯示控制器的設計

本設計是一種基于FPGA(現(xiàn)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,F(xiàn)PGA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(xiàn)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。 </Script> 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。

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  2 設計與實現(xiàn)

  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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)讀/寫,并實現(xiàn)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(tǒng)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,F(xiàn)LM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,F(xiàn)LM為l,持續(xù)1個LP周期時間,即120個CLK脈沖;狀態(tài)2,F(xiàn)LM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:

</Script>  3 仿真、下載測試分析 [!--empirenews.page--]

  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(xiàn),生成編程文件并且通過下載軟件實現(xiàn)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(tǒng)、縮小系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)了圖形顯示。表明該液晶顯示控制器成功地替代了傳統(tǒng)的ASIC液晶控制器,具有良好的應用前景。

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