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圖片顯示系統(tǒng)設(shè)計

作者： 時間：2023-12-18 來源：電子森林 收藏

實驗任務(wù)

  • 任務(wù)：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成圖片顯示系統(tǒng)設(shè)計并觀察調(diào)試結(jié)果
  • 要求：將小腳丫的Logo轉(zhuǎn)換成單色圖片數(shù)據(jù)，驅(qū)動底板上1.8寸彩色液晶屏顯示出來
  • 解析：將單色圖片的數(shù)據(jù)存儲到rom中，驅(qū)動1.8寸將圖片刷到液晶屏上。

實驗?zāi)康?/h4>

擴展板卡上集成了1.8寸彩色液晶屏TFT_LCD模塊，大家可以驅(qū)動LCD顯示文字、圖片或動態(tài)的波形。本實驗主要學(xué)習(xí)1.8寸串行彩色液晶屏的驅(qū)動設(shè)計，然后將小腳丫Logo處理顯示，完成圖片顯示系統(tǒng)的總體設(shè)計。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202312/453982.htm
  • 了解1.8寸串行采樣液晶屏的原理及驅(qū)動設(shè)計
  • 完成圖片顯示系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

設(shè)計框圖

根據(jù)前面的實驗解析我們可以得知，該設(shè)計可以拆分成兩個功能模塊實現(xiàn)，

  • LCDRGB：1.8寸串行液晶屏驅(qū)動模塊。 * LCDRAM：用于存儲單色圖片數(shù)據(jù)。

Top-Down層次設(shè)計

 

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

實驗原理

液晶屏介紹

液晶屏規(guī)格書

查看底板上集成的1.8寸串行彩色液晶屏規(guī)格書，屏幕采用ST7735S的驅(qū)動芯片，接下來我們主要根據(jù)ST7735S的芯片手冊來了解其工作原理和驅(qū)動方法。

ST7735S為132RGB x 162像素點 262K 控制器/驅(qū)動器，芯片可以直接跟外部處理器連接，支持串行SPI通信和8/9/16/18位并行通信（本液晶屏集成ST7735S時沒有留并行接口，所以只能使用串行通信），詳細(xì)參數(shù)請參考數(shù)據(jù)手冊。

液晶屏驅(qū)動芯片原理示意

ST7735S支持不同位寬的并行通信格式。

ST7735S通信格式

在控制器給屏幕刷屏?xí)r，根據(jù)MV、MX、MY的配置支持8種不同方向的刷屏模式。

ST7735S部分刷屏模式

支持大量功能指令，部分系統(tǒng)功能指令列表如下

ST7735S部分功能指令

更多的內(nèi)容這里就不一一介紹了，感興趣的同學(xué)可以詳細(xì)閱讀ST7735S芯片手冊。

液晶屏硬件連接

STEP BaseBoard V3.0底板上的1.8寸串行彩色液晶屏模塊電路：

底板上的1.8寸串行彩色液晶屏電路和VGA顯示電路復(fù)用部分FPGA管腳，兩者不能同時使用，當(dāng)使用1.8寸串行彩色液晶屏?xí)r，DISPSEL信號置高，驅(qū)動1.8寸串行彩色液晶屏使能同時點亮背光，DISP2~ DISP_5分別對應(yīng)RESET、D/C、SDA、SCK管腳，最后FPGA驅(qū)動1.8寸液晶屏完成屏顯示控制即可。

液晶屏驅(qū)動設(shè)計

要驅(qū)動液晶屏需要先了解液晶屏的驅(qū)動流程，可以從液晶屏驅(qū)動芯片ST7735S的芯片手冊上獲取，也可以到網(wǎng)上找找有沒有別人使用同類液晶屏的案例，或者向賣方問問有沒有相關(guān)資料提供，這里我們找到了一個用51單片機驅(qū)動的程序例程，例程僅供參考，需要根據(jù)例程中的配置到芯片手冊中查找確認(rèn)，不可以直接套用。

首先完成液晶屏初始化操作，51程序流程如下：

void  ST7735_LAIBAO177_INITIAL ()
{ 
//-----------ST7735R Reset Sequence----------------// 
RES =1; delay (1);        //Delay 1ms 
RES =0; delay (1);        //Delay 1ms 
RES =1; delay (120);      //Delay 120ms 
//----------End ST7735R Reset Sequence ------------// 
LCD_WriteCommand(0x11);   //Sleep out 
delay(120);               //Delay 120ms 
//---------ST7735S Frame Rate-------------------// 
LCD_WriteCommand(0xB1); LCD_WriteData(0x05); 
LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteCommand(0xB2); 
LCD_WriteData(0x05); 
LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteCommand(0xB3); 
LCD_WriteData(0x05); 
LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteData(0x05); 
LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteData(0x3C); 
//-----------End ST7735S Frame Rate---------------// 
LCD_WriteCommand(0xB4); //Dot inversion 
LCD_WriteData(0x03); 
//-----------ST7735S Power Sequence---------------// 
LCD_WriteCommand(0xC0); 
LCD_WriteData(0x28); 
LCD_WriteData(0x08); 
LCD_WriteData(0x04); 
LCD_WriteCommand(0xC1); 
LCD_WriteData(0XC0); 
LCD_WriteCommand(0xC2); 
LCD_WriteData(0x0D); 
LCD_WriteData(0x00); 
LCD_WriteCommand(0xC3); 
LCD_WriteData(0x8D); 
LCD_WriteData(0x2A); 
LCD_WriteCommand(0xC4); 
LCD_WriteData(0x8D); 
LCD_WriteData(0xEE); 
//----------End ST7735S Power Sequence----------// 
LCD_WriteCommand(0xC5); //VCOM 
LCD_WriteData(0x18);    //1a
LCD_WriteCommand(0x36); //MX, MY, RGB mode 
LCD_WriteData(0xC0); 
//-----------ST7735S Gamma Sequence-----------// 
LCD_WriteCommand(0xE0); 
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x22); LCD_WriteData(0x07); 
LCD_WriteData(0x0A); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x30); 
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2A); LCD_WriteData(0x28); 
LCD_WriteData(0x26); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x3A); 
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x03); 
LCD_WriteData(0x13); 
LCD_WriteCommand(0xE1); 
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x16); LCD_WriteData(0x06); 
LCD_WriteData(0x0D); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x26); 
LCD_WriteData(0x23); LCD_WriteData(0x27); LCD_WriteData(0x27); 
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x3B); 
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x04); 
LCD_WriteData(0x13); 
//------------End ST7735S Gamma Sequence----------// 
LCD_WriteCommand(0x3A); //65k mode 
LCD_WriteData(0x05); 
LCD_WriteCommand(0x29); //Display on 
}

創(chuàng)建存儲器，將初始化過程中寫的所有指令和數(shù)據(jù)存儲，同時存儲的還有指令或數(shù)據(jù)標(biāo)志，例如初始化第1條指令為8'h11，我們增加最高位1‘b0組成9位位寬數(shù)據(jù)。存儲器部分指令和數(shù)據(jù)如下：

initial begin //LCD初始化的命令及數(shù)據(jù)
    reg_init[ 0]    =   {1'b0,8'h11}; //最高位為0，表示低8位為指令
    reg_init[ 1]    =   {1'b0,8'hb1}; 
    reg_init[ 2]    =   {1'b1,8'h05}; //最高位為1，表示低8位為數(shù)據(jù)
    reg_init[ 3]    =   {1'b1,8'h3c}; 
    reg_init[ 4]    =   {1'b1,8'h3c};

從51例程中可以看到，整個初始化過程都在給液晶屏寫指令或數(shù)據(jù)，通過查看寫指令或?qū)憯?shù)據(jù)的時序發(fā)現(xiàn)，唯一不同的就是對A0(對應(yīng)底板液晶屏模塊中的D/C信號)的控制，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

void  LCD_WriteXXX(uint dat)
{  int i;
    A0=0; //寫指令，如果寫數(shù)據(jù) A0=1;
    CSB=0; //液晶屏使能
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        if(dat &0x80) SDA=1;
        else SDA=0;
        SCL=0; SCL=1;
        dat <<=1;
    }
    CSB=1;  
    }

FPGA驅(qū)動液晶屏的設(shè)計使用狀態(tài)機完成，將寫數(shù)據(jù)與寫指令的SPI時序整合成一個狀態(tài)，另加一位指令數(shù)據(jù)控制位，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

WRITE:begin //WRITE狀態(tài)，將數(shù)據(jù)按照SPI時序發(fā)送給屏幕
        if(cnt_write >= 6'd17) cnt_write <= 1'b0;
        else cnt_write <= cnt_write + 1'b1;
        case(cnt_write)
            6'd0:   begin lcd_dc <= data_reg[8]; end    //9位數(shù)據(jù)最高位為命令數(shù)據(jù)控制位
            6'd1:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[7]; end   //先發(fā)高位數(shù)據(jù)
            6'd2:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd3:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[6]; end
            6'd4:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd5:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[5]; end
            6'd6:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd7:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[4]; end
            6'd8:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd9:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[3]; end
            6'd10:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd11:  begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[2]; end
            6'd12:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd13:  begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[1]; end
            6'd14:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd15:  begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[0]; end   //后發(fā)低位數(shù)據(jù)
            6'd16:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd17:  begin lcd_clk <= LOW; state <= DELAY; end   //
            default: state <= IDLE;
        endcase
    end

初始化指令和數(shù)據(jù)都放到存儲器中了，數(shù)據(jù)寫入的SPI串行時序也已經(jīng)設(shè)計成了一個狀態(tài)，初始化狀態(tài)只需要在復(fù)位后將存儲器中的指令或數(shù)據(jù)通過WRITE狀態(tài)發(fā)送給液晶屏，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

INIT:begin  //初始化狀態(tài)
        if(cnt_init==3'd4) begin
            if(cnt==INIT_DEPTH) cnt_init <= 1'b0;
            else cnt_init <= cnt_init;
        end else cnt_init <= cnt_init + 1'b1;
        case(cnt_init)
            3'd0:   lcd_res <= 1'b0;    //復(fù)位有效
            3'd1:   begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end 
            3'd2:   lcd_res <= 1'b1;    //復(fù)位恢復(fù)
            3'd3:   begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end 
            3'd4:   if(cnt>=INIT_DEPTH) begin //當(dāng)62條指令及數(shù)據(jù)發(fā)出后，配置完成
                        cnt <= 16'd0;  state <= MAIN;
                    end else begin
                        cnt <= cnt + 16'd1;  data_reg <= reg_init[cnt];  
                        if(cnt==16'd0) num_delay <= 16'd50000; //第一條指令需要較長延時
                        else num_delay <= 16'd50;
                        state <= WRITE; state_back <= INIT;
                    end
            default: state <= IDLE;
        endcase
    end

初始化完成，進入刷屏狀態(tài)，刷屏數(shù)據(jù)寫入前首先進行區(qū)域坐標(biāo)的定位，然后刷寫數(shù)據(jù)，圖片采用單色顯示，圖片ram中每位數(shù)表示一個液晶屏一個像素點的亮還是滅，彩色液晶屏本實驗采用16bit格式，即需要16bit數(shù)據(jù)決定像素的顏色，16bit數(shù)據(jù)分兩次發(fā)送，最終從ram模塊中獲取的數(shù)據(jù)每位數(shù)據(jù)都要轉(zhuǎn)換成16bit的數(shù)據(jù)，0轉(zhuǎn)換成背景色對應(yīng)的數(shù)據(jù)，1轉(zhuǎn)換成頂層色對應(yīng)的數(shù)據(jù)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

SCAN:begin  //刷屏狀態(tài)，從RAM中讀取數(shù)據(jù)刷屏
    case(cnt_scan)
        3'd0: if(cnt >= 11) begin //確定刷屏的區(qū)域坐標(biāo)，這里為全屏
                    cnt <= 16'd0;
                    cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1;
                end else begin
                    cnt <= cnt + 16'd1;
                    data_reg <= reg_setxy[cnt];
                    num_delay <= 16'd50;
                    state <= WRITE; state_back <= SCAN;
                end
        3'd1: begin ram_clk_en<=HIGH;ram_addr<=y_cnt;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end   
        3'd2: begin cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end  //延時一個時鐘
        3'd3: begin ram_clk_en<=LOW;ram_data_r<=ram_data;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end
        3'd4: begin //每個像素點需要16bit的數(shù)據(jù)，SPI每次傳8bit，兩次分別傳送高8位和低8位
                   if(x_cnt>=LCD_W) begin  //當(dāng)一個數(shù)據(jù)(一行屏幕)寫完后，
                        x_cnt <= 8'd0;  
                        if(y_cnt>=LCD_H) begin y_cnt <= 8'd0; cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end  //如果是最后一行就跳出循環(huán)
                        else begin y_cnt <= y_cnt + 1'b1; cnt_scan <= 3'd1; end     //否則跳轉(zhuǎn)至RAM時鐘使能，循環(huán)刷屏
                    end else begin
                        if(high_word) 
                            //根據(jù)相應(yīng)bit的狀態(tài)判定顯示頂層色或背景色,根據(jù)high_word的狀態(tài)判定寫高8位或低8位
                            data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[15:8]:color_b[15:8])};    
                        else begin 
                            data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[7:0]:color_b[7:0])}; 
                            x_cnt <= x_cnt + 1'b1; 
                        end //
                        high_word <= ~high_word;    //high_word的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)
                        num_delay <= 16'd50;    //設(shè)定延時時間
                        state <= WRITE; //跳轉(zhuǎn)至WRITE狀態(tài)
                        state_back <= SCAN; //執(zhí)行完WRITE及DELAY操作后返回SCAN狀態(tài)
                    end
                end
        3'd5:   begin cnt_scan <= 1'b0; state <= MAIN; end
        default: state <= IDLE;
        endcase 
        end
系統(tǒng)總體實現(xiàn)

液晶屏驅(qū)動模塊的數(shù)據(jù)來源于圖片數(shù)據(jù)的ram模塊，這些數(shù)據(jù)由圖片取模得到，使用圖片取模軟件，將圖片載入軟件，輸出數(shù)據(jù)類型選擇C語言數(shù)組，根據(jù)液晶屏驅(qū)動實際情況配置對應(yīng)的掃描模式，輸出灰度選擇單色，調(diào)整最大寬度和高度符合液晶屏要求，最后點擊保存生成需要的文件。

取模軟件參數(shù)配置

打開生成的文件，數(shù)據(jù)格式如下，是C語言的格式

const unsigned char gImage_11[1990] = { 0X10,0X01,0X00,0X80,0X00,0X7C,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0XF8,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X07,0XFF,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,

使用編輯器的查找替換功能，將數(shù)據(jù)處理成下圖格式

132'h00000000000000000000000000000000,
132'h00000000000000000000000000000000,
132'h00000000000000000000000000000000,
132'h0000000000000000F800000000000000,
132'h0000000000000007FF00000000000000,

創(chuàng)建ram模塊，將圖片數(shù)據(jù)初始化到ram中，程序?qū)崿F(xiàn)圖下：

module LCD_RAM (input wire [7:0] Address, output reg [131:0] Q);
always @ (*)
    case(Address)
        8'd0  : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
        8'd1  : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
        8'd2  : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
        8'd3  : Q = 132'h0000000000000000F800000000000000;
        8'd4  : Q = 132'h0000000000000007FF00000000000000;

存儲圖片數(shù)據(jù)的ram本實驗采用分布式ram搭建，前面波形信號發(fā)生器實驗中講過ram IP核的例化及使用方法，有興趣的同學(xué)可以自己嘗試一下。

在頂層模塊中，將兩個模塊例化并連接，最終完成圖片顯示系統(tǒng)的總體設(shè)計。

實驗步驟

  1. 雙擊打開Quartus Prime工具軟件；
  2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目錄選擇，設(shè)備型號選擇，EDA工具選擇）；
  3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設(shè)計代碼并保存；
  4. 設(shè)計綜合：雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對代碼進行綜合；
  5. 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據(jù)項目需求分配管腳；
  6. 設(shè)計編譯：雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對設(shè)計進行整體編譯并生成配置文件；
  7. 程序燒錄：點擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進行下載；
  8. 觀察設(shè)計運行結(jié)果。

實驗現(xiàn)象

將設(shè)計加載到FPGA中，觀察底板液晶屏顯示，小腳丫的Logo被顯示出來了，前面說了1.8寸串行液晶屏支持不同的刷新方向，大家可以調(diào)整圖片顯示的方向

實驗現(xiàn)象

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