FPGA的LCD液晶顯示器設(shè)計
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由LCD液晶顯示器制作的顯示面板廣泛應(yīng)用于軍用設(shè)備中，本設(shè)計采用Spartan-3E FPGA為硬件，該2×16字符型LCD內(nèi)嵌一個Sitronix ST7066U圖形控制器，實現(xiàn)了LCD顯示器的字符或者漢字的滿屏顯示、滿屏移動顯示以及單個字符在屏幕上的移動顯示，所有功能用VHDL語言實現(xiàn)，符合LCD顯示器要求，達(dá)到各種顯示效果。
本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201710/366536.htm由于LCD 液晶顯示器體積小、重量輕、功耗低，應(yīng)用非常廣泛，如作為飛機、坦克和船上的顯示面板，可縮小原CRT顯示器的所占空間，減輕設(shè)備重量，增強機動性。
本設(shè)計采用Spartan-3E開發(fā)板上的一個內(nèi)嵌Si.tronix ST7066U圖形控制器的字符型LCD，實現(xiàn)了：（1） 單個字符在任意位置的顯示以及字符的滿屏顯示及滿屏移動顯示；（2） 自定義字符（漢字）的顯示以及單個字符的滿屏移動顯示。其中，圖形控制器［1］負(fù)責(zé)接收控制指令及數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給LCD顯示器。
1 Sitronix ST7066U 圖形控制器
該控制器有三個內(nèi)部存儲空間，DD RAM、CGROM、CG RAM，送數(shù)據(jù)之前應(yīng)先初始化。
?。?）DD RAM（顯示數(shù)據(jù)RAM）
存儲字符編碼，從物理上講DD RAM共有80個字符位置，每行有40個字符，但只有16個可被顯示，剩余的24個不被顯示。在讀或?qū)懼?，需初始化地址計?shù)器，地址計數(shù)器在讀或?qū)懼罂杀３殖?shù)或者自動增1或減1。
?。?）CG ROM（字符產(chǎn)生器ROM）
包含每個事先定好的字符的字體位圖。
?。?）CG RAM（字符產(chǎn)生器RAM）
包含8位的自定義字符位圖，每個自定義字符位由8行位圖的5個點組成，具體用法與DD RAM相同。
1.1 與FPGA 的接口信號
LCD與FPGA的接口信號［2］有：（1）使能信號LCD_E；（2）寄存器選擇信號LCD_RS；（3）讀/寫控制信號LCD_RW；（4）4根LCD數(shù)據(jù)線與StrataFlash數(shù)據(jù)線SF_D《11：8》復(fù)用。
1.2 時序分析
SF_D《11：8》的數(shù)據(jù)值，LCD_RS、LCD_RW必須建立并在LCD_E 轉(zhuǎn)向高電平之前至少穩(wěn)定40 ns，LCD_E 保留高電平時間至少230 ns。在許多應(yīng)用中，LCD_RW恒置低，因為一般不會從顯示屏讀取數(shù)據(jù)。
如圖1所示，數(shù)據(jù)以8位形式傳送，分為高4位和低4位，先傳高4位再傳低4位，其間隔時間至少1us。一個8位的寫操作在下個通信之前間隔時間至少為40 us，而在清屏命令之后該延時需增至1.64 ms。
圖1 字符型LCD 接口時序圖
2 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計
2.1 流程圖
如圖2所示，LCD數(shù)據(jù)顯示包括上電初始化、配置顯示屏、寫數(shù)據(jù)給顯示屏，在寫數(shù)據(jù)之前應(yīng)先設(shè)定初始地址。
圖2 LCD 顯示流程圖
本開發(fā)板晶振為50 MHz。
具體實現(xiàn)步驟如下：
1. 上電初始化
上電后顯示屏需建立通信協(xié)議即初始化，目的在于建立FPGA與LCD的4位數(shù)據(jù)接口，具體如下：
?。?）等待至少15 ms，即750000個時鐘周期。
?。?）寫SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高電平12個時鐘周期。
?。?）等待至少4.1 ms，即205000個時鐘周期。
?。?）寫SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高電平12個時鐘周期。
?。?）等待至少100 us，即5000個時鐘周期。
（6）寫SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高電平12個時鐘周期。
?。?）等待至少40 us，即2000個時鐘周期。
?。?）寫SF_D《11：8》=0x2，LCD_E保持高電平12個時鐘周期。
?。?）等待至少40 us，即2000個時鐘周期。
2. 顯示屏配置
根據(jù)字符型LCD的命令設(shè)置而確定發(fā)送數(shù)據(jù)。
?。?）發(fā)功能設(shè)置命令0x28，配置顯示屏。
?。?）發(fā)進(jìn)入模式命令0X06，顯示屏設(shè)置為自動增地址指針，設(shè)置指針移動方向為向左且規(guī)定不移動顯示。
?。?）發(fā)顯示開/斷命令0x0c，將顯示字符的地址存儲在DD RAM中。
?。?）最后發(fā)清屏命令，此后等待時間至少為1.64 ms。
3. 寫數(shù)據(jù)給顯示屏
具體步驟如下：
?。?）先指定初始地址即發(fā)送一個設(shè)置DD RAM地址命令給DD RAM中指定的初始7位地址。
?。?）再發(fā)送一個或多個數(shù)據(jù)值即使用DD RAM命令寫數(shù)據(jù)給顯示屏。8位數(shù)據(jù)值通過查表地址送給CG RAM，CG RAM中存儲的位圖驅(qū)動5×8點陣給相應(yīng)的字符。
如果地址計數(shù)器配置為自動增1，則可依次寫多個字符編碼，每個字符自動存儲并顯示在下個位置，繼續(xù)寫字符直至在第一行的最后停止，而剩余的數(shù)據(jù)不會自動在第二行顯示，因為DD RAM的映射從第一行到第二行不連續(xù)。
2.2 程序設(shè)計實現(xiàn)
按照上面的步驟，先對LCD上電初始化，再進(jìn)行配置，配置不同顯示效果也不同。
1. 單個字符的顯示
先設(shè)定一個DD RAM地址命令為初始地址，根據(jù)給定的命令知首地址為“10000000”， 緊接著往CG RAM中寫數(shù)據(jù)，通過嚴(yán)格控制時序關(guān)系達(dá)到單個字符的顯示。默認(rèn)地址設(shè)置為自動遞增，若在初始地址的基礎(chǔ)上遞加，則顯示字符就會變到相應(yīng)的位置。例如：若首地址設(shè)為“10000001”，則顯示字符就會出現(xiàn)在第2個位置。
2. 字符的滿屏顯示及滿屏移動顯示
在顯示單個字符的基礎(chǔ)上通過不停的寫數(shù)據(jù)到LCD顯示器中就會達(dá)到滿屏顯示的效果。
配置顯示屏?xí)r，第二步設(shè)置模式命令0X06（00000110）時，最低位定義是否移動顯示，若將最低位改為1時，則會出現(xiàn)滿屏左移或右移的現(xiàn)象。
3. 自定義字符（漢字）的顯示
ASCII碼表不能滿足需求時用戶需要自定義，如漢字的顯示。具體步驟如下：
?。?）初始化CG RAM地址；
?。?）往CG RAM中寫入漢字對應(yīng)的字模信息；
?。?）建立好字模后，往DD RAM中寫索引值，范圍為（0x00~0x07），則新建的字符就會顯示出來。
圖3 自定義字符的顯示
初始化CG RAM 地址時，指定命令為“01XXXXXX”，低三位代表字模信息的行數(shù)，緊接著的三位代表索引到DD RAM中的地址。寫字模信息時，數(shù)據(jù)位為“XXX D4D3D2D1D0”，高三位0，1都可以，低五位為字模信息。如圖3 所示，顯示“口”時，需要三行字模信息1C、14、1C，即寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)為：“00011100”、“00010100”、“00011100”。
4. 單個字符在整個屏幕上的移動顯示
能夠?qū)崿F(xiàn)移動顯示的方法有兩種［3］：
?。?）將前一個位置顯示的字符清除掉，在下個位置顯示同樣的字符達(dá)到移動顯示的效果，這需要使用清屏命令來實現(xiàn)；
?。?）通過程序設(shè)計來控制：對前一個位置顯示的字符進(jìn)行判斷，若顯示的不是空白內(nèi)容，則將顯示空白內(nèi)容的數(shù)據(jù)賦給原來的顯示字符，這樣原來顯示字符的位置上就會出現(xiàn)空白內(nèi)容，再通過程序判斷當(dāng)前位置的字符，若為空白內(nèi)容則將原來顯示字符的數(shù)據(jù)賦給它。由于地址設(shè)為自動遞增，故在下一個位置上就會出現(xiàn)與原來相同的字符，依次類推，最終結(jié)果就是單個字符在整個屏幕上的移動顯示。
第一種方法每次使用清屏命令后，地址返回到初始地址，而寫下一個字符時必須返回到未使用清屏命令之前的地址，但由于在配置顯示屏?xí)r已經(jīng)將地址設(shè)為自動遞增，因此采用這種方法程序控制［4］較復(fù)雜，故采用第二種方法。
關(guān)鍵程序代碼如下：
If Dat=“00110001”then ---- “00110001”顯示“1”；
Dat：=“00100000”； ---“00100000”顯示空白內(nèi)容；
w_state 《= wr64；
elsif Dat = “00100000” thenDat ：= “00110001”；
w_state 《= wr85；
end if；
由于顯示屏上每行只有16 個字符可以顯示，所以要想達(dá)到在整個屏幕上移動顯示，需要對地址準(zhǔn)確控制。
地址控制具體步驟：從第一行的第1個位置開始逐次加1，當(dāng)?shù)降?6個位置時，將地址加24使其跳到第二行的第1個位置，緊接著從第二行的第1個位置開始逐次加1直到第16個位置，當(dāng)?shù)搅说诙械牡?6個位置時將地址再返回到初始地址即第一行的第一個位置。程序代碼如下：
if cPos 《 “10001111” then --- cPos 為指向地址的變量
cPos ：= cPos+1； ---第一行時逐次加1
elsif cPos = “10001111”then ----第一行最后1位置跳到第二行第1個位置
cPos ：= “10101000”；
elsif cPos 《 “10110111”then
cPos ：= cPos+1； ---第二行時逐次加1elsif cPos = “10110111”then -- 返回到初始地址
cPos ：= “10000000”；
end if；
字符的移動顯示需用動畫演示，圖4僅列出四個特殊位置的顯示效果圖。
圖4 單個字符的滿屏移動顯示圖
3 結(jié)語
本設(shè)計實現(xiàn)了字符型液晶顯示器的多樣化顯示，創(chuàng)新點是：單個字符的滿屏移動顯示沒有采用傳統(tǒng)的清屏命令而是采用顯示空白內(nèi)容與非空白內(nèi)容的交替賦值來實現(xiàn)。由于可以對該顯示器進(jìn)行多次編程，能方便地應(yīng)用于實際，滿足現(xiàn)代化的要求。
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