基于FPGA的液晶顯示接口設計

引言

在小規(guī)模圖形液晶顯示模塊上使用液晶顯示驅(qū)動控制器組成液晶顯示驅(qū)動和控制系統(tǒng)，是當今低成本，低功耗，高集成化設計的最好選擇，sed1520是當前最常用的一種液晶顯示驅(qū)動控制器，這類圖形液晶顯示模塊的規(guī)模為32行，本文用到的液晶模塊cm12232即是內(nèi)置sed1520的液晶顯示模塊，該模塊的驅(qū)動控制系統(tǒng)由兩片sed1520組成。

fpga即現(xiàn)場可編程門陣列器件，這是一種超大規(guī)模集成電路，具有在電路可重配置的能力（in circuit reconfigurable，icr）。設計者設計的邏輯可在編譯、適配后變成網(wǎng)絡表下載到fpga芯片上之后，fpga即可執(zhí)行設計的邏輯功能。因此，fpga在芯片控制、接口邏輯設計等各個方面的應用越來越廣泛。

系統(tǒng)硬件設計

本方案采用的fpga為alter公司的acex1k30芯片，它可提供系統(tǒng)的時鐘及讀寫控制，acex系列的fpga由邏輯陣列塊lab（logic array block）、嵌入式陣列塊eab（embedded array block）、快速互聯(lián)以及io單元構成，每個邏輯陣列塊包含8個邏輯單元le（logic element）和一個局部互聯(lián)[1]。每個邏輯單元則由一個4輸入查找表（lut）、一個可編程觸發(fā)器、快速進位鏈、級連鏈組成，多個lab和多個eab則可通過快速通道互相連接。eab是acex系列器件在結(jié)構設計上的一個重要部件，他是輸入端口和輸出端口都帶有觸發(fā)器的一種靈活的ram塊，其主要功能是實現(xiàn)一些規(guī)模不太大的fifo、rom、ram和雙端口ram等。在本液晶顯示接口電路中，eab主要用宏功能模塊實現(xiàn)片上rom。它通過調(diào)用fpga上的eab資源來實現(xiàn)漢字的顯示和字符的存儲，并根據(jù)控制信號產(chǎn)生的地址值從rom中讀取字符值，然后送lcd顯示器進行顯示。

由于所用的圖形點陣液晶塊內(nèi)置有sed1520控制器，所以，其電路特性實際上就是sed1520的電路特性。sed1520的主要特性如下[2]：

具有液晶顯示行驅(qū)動器，具有16路行驅(qū)動輸出，并可級聯(lián)實現(xiàn)32行驅(qū)動。

具有液晶顯示列驅(qū)動器，共有61路列驅(qū)動輸出。

內(nèi)置時序發(fā)生器，其占空比可設置為1/16和1/32兩種。

內(nèi)藏顯示存儲器，顯示存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)可直接顯示，"1"為顯示，"0"為不顯示。

接口總線時序可適配8080系列或m6800系列，并可直接與計算機接口。

操作簡單，有13條控制指令。

采用cmos工藝，可在電壓低至2.4-7.0v時正常工作，功耗僅30μw。

本設計所用的字符液晶模塊cm12232由兩塊sed1520級連驅(qū)動，其中一個工作在主工作方式下，另一個工作在從方式下，主工作方式sed1520負責上半屏16行的驅(qū)動和左半屏的61列驅(qū)動，從工作方式的sed1520則負責下半屏16行的驅(qū)動和右半屏的61列驅(qū)動，使能信號e1、e2用來區(qū)分具體控制的是那一片sed1520，其系統(tǒng)的硬件連接圖如圖1所示。

由圖1可見，該系統(tǒng)的硬件部分連接十分簡單，其中fpga部分沒畫出，而液晶與fpga的接口則可直接以網(wǎng)表的形式給出，將它們直接與fpga的普通i/o引腳相連即可。

系統(tǒng)的軟件接口實現(xiàn)

具體實現(xiàn)的重點是如何從存放有字符的rom塊中讀出數(shù)據(jù)，并按照液晶的時序正確的寫入，在介紹具體實現(xiàn)方法前，首先要熟悉sed1520的指令。

sed1520的控制指令表

sed1520的幾種主要的控制指令格式如下：

（1）復位格式（reset）

該指令用于實現(xiàn)sed1520的軟件復位。該指令執(zhí)行時，顯示起始行寄存器清零，接著列地址指針清零，之后頁地址寄存器置為"3"。

（2）休閑狀態(tài)設置（statis drive on/off）

該指令是休閑狀態(tài)的軟件開關，當s=1時，sed1520進入休閑狀態(tài)；當s=0時，sed1520將中止或退出休閑狀態(tài)。

（3）占空比設置（slect duty）

該指令用于設置sed1520的占空比，du=0時為1/16占空比，du為1時為1/32占空比。

（4）adc選擇指令（selet adc）

該指令用于設置顯示存儲器中單元的地址所對應的顯示驅(qū)動輸出的順序。a=0時，順時針顯示；a=1時，逆時針顯示。

（5）顯示起始行設置（display start line）

該指令可用于設置顯示屏上第一行（行驅(qū)動輸出como所對應的顯示行）所對應的顯示存儲器的行號，由此行順序下延可得到對應顯示屏上的顯示效果，l=0-31（1fh），對應表示顯示存儲器的第1-32行。

（6）顯示開/關設置（display on/off）

該指令控制著顯示驅(qū)動器的輸出。當di=0時，顯示關，當di=1時，顯示開。

（7）頁面顯示存儲的設置

sed1520將顯示存儲器分為4個頁面（0-3頁）。每個頁面都有80個字節(jié)。頁面管理可由2位頁地址寄存器控制，該指令就是設置頁地址寄存器的內(nèi)容，以選擇相應的顯示寄存器的頁面。p=0-3，對應代表0-3頁。

（8）列地址設置（set column（segment）address）

sed1520的顯示存儲器的每個頁面上都有80個字節(jié)，每個字節(jié)中的8位數(shù)據(jù)對應著顯示屏上同一列的8點行，列地址指針就是管理這80個字節(jié)單元的，列地址指針是一個7位加一計數(shù)器，由它和頁地址寄存器組合，可唯一指定顯示存儲器的某一個單元，列地址指針在計算機對顯示存儲器的每次操后都將自動加一。該指令就是設置列地址指針內(nèi)容的。當cy=0-4fh，分別對應于1-80單元的地址。

頂層設計大批量

本設計具體實現(xiàn)的頂層設計原理圖如圖2所示。

圖2中l(wèi)pm_rom模塊是利用fpga的宏功能模塊產(chǎn)生的片上rom塊[3]，用以存放要顯示的字符數(shù)據(jù)。ctrl模塊則為控制從rom中取出數(shù)據(jù)后液晶上顯示的核心控制模塊，其功能包括控制數(shù)據(jù)的讀寫時序、液晶屏的分屏顯示控制、分頁顯示控制等。

控制模塊程序代碼

ctrl模塊的程序核心代碼如下：

architecture behavioral of ctrl is

signal divcnt：std_logic_vector（11 downto 0）；--系數(shù)計數(shù)

signal data：std_logic_vecdor（9 downto 0）；--地址輸出

signal clk1，clk2，a01，cs11，cs21，flag，csflag：std_logic；

data<=divcnt（11 downto 2）；--最高10位為地址

process3（clk2）

begin

if clk2＇event and clk2=｀1＇then case conv_integer （data）is

when 0|2|4|6|8|10|12|13|138|139|264|265|390|391=>a01<=｀0＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 1|3|5|7|9|11|75|76|201|202|327|328|453|454=>a01<=｀0＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 14 to 74=>a01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 140 to 200=>a01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=1＇；

when 266 to 326=>a01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 392 to 452=>a01<=｀1＇；cs11<=｀0＇；cs21<=｀1＇；

when 77 to 137=>a01<=｀1＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 203 to 263=>a01<=｀1＇；cs11>=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 329 to 389=>a01<=｀1＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when 455 to 515=>a01<=｀1＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀0＇；

when others=>a01<=｀0＇；cs11<=｀1＇；cs21<=｀1＇；

end case；

end if；

end process3；

a0<=a01；

cs1<=cs11 or csflag；

cs2<=cs21 or csflag；

ad<=data；

end behavioral；

其中的關鍵程序為process3；在該過程中，a01負責該數(shù)據(jù)寫到液晶數(shù)據(jù)線上顯示還是寫到液晶的控制寄存器進行控制，a01為0時為寫命令，a01為1時為寫數(shù)據(jù)。

程序中，rom地址的前13個單元均為寫命令，根據(jù)sed1520的控制命令字，rom表中的0、2、4、6、8、10單元依次是e2、a4、a9、a0、c0、af，主要用于實現(xiàn)對csi主工作的sed1520復位、退出休閑狀態(tài)、設置占空比為1/32、順時針顯示數(shù)據(jù)ram中的內(nèi)容、顯示起始對應顯示存儲器的0行、顯示開這一系列的初始化工作；而1，3，5，7，9，11單元則寫入到cs2（即從工作的sed1520）實現(xiàn)其初始化[4]。第13單元放的是b8（即頁地址設置為0）,從14-74單元，a01=1為寫數(shù)據(jù)，此時片選cs1有效，rom表中連續(xù)放入"武漢理工"4個漢字的上半部分字模（本方案共顯示16個漢字"武漢理工大學自動化學院重點實驗室"分兩行，每行8個字顯示）；之后，75、76單元為寫命令，rom中的數(shù)據(jù)為b8，00表示設置顯示頁為0頁，該頁的列地址從0開始[5]。從77-137單元地址向cs2（即從動工作方式的sed1520）寫數(shù)據(jù)即"大學自動"的前半部分字模，接下來的138、139單元為寫命令，rom中的數(shù)據(jù)為b9，00即表示頁地址設置為1列，地址為0，140-200單元放入"武漢理工"的下半部分字模，201、202單元為寫命令，rom中的數(shù)據(jù)為b9、00表示頁地址設置為1列，地址為0，203-263中為"大學自動"的下半部分字模，之后，8個字的寫入過程與前8個字的寫入過程相同，寫命令單元用于控制要寫的頁。

結(jié)束語

本方案以fpga為控制核心實現(xiàn)了對字符點陣液晶的控制，該方案硬件電路簡單，軟件程序簡潔，對液晶的控制簡單而且穩(wěn)定，且可靈活改動，若要改變液晶顯示的漢字，只需改變rom表中的字模即可，實踐證明，該設計是對液晶應用的一種行之有效的方法。