王慶春，何曉燕，崔智軍

（1.安康學(xué)院 電子與信息工程系，陜西 安康 725000；2．安康學(xué)院 數(shù)學(xué)系，陜西 安康 725000）

在許多嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，都需要友好的人機(jī)信息界面，傳統(tǒng)的數(shù)碼管或者發(fā)光二極管顯示方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際的顯示需求，而LCD1602/LCD12864液晶顯示模塊具有低壓微功耗、壽命長(zhǎng)、顯示信息量大、超薄等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能儀器、儀表等各種便攜式電子信息產(chǎn)品上來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字、字符和圖形的可視化信息顯示．目前，針對(duì)LCD1602/LCD12864液晶模塊的顯控技術(shù)主要有兩種方式，首先是基于各種微處理器（8051/ARM/Nois II/SPCE061）的微程序控制方式[1-5]，這種軟件組態(tài)的LCD模塊控制技術(shù)應(yīng)用廣泛，但是這種控制方式會(huì)占用處理器資源、速度慢、實(shí)時(shí)顯示性能較差．其次，就是使用CPLD/FPGA開發(fā)的獨(dú)立顯示控制器[3，6-7]，這種純硬件結(jié)構(gòu)的獨(dú)立顯示控制器，速度快、實(shí)時(shí)顯示性能好；但是這種獨(dú)立顯示控制器可移植性差、功能單一，很難適應(yīng)不同類型的液晶屏及不同的顯示模式。

因此，文中就提出了一個(gè)基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設(shè)計(jì)方案，只需通過(guò)端口的使能參數(shù)配置便可以驅(qū)動(dòng)LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊實(shí)現(xiàn)字符或圖形的實(shí)時(shí)顯示，并在FPGA開發(fā)板（EP2C5T144C8）上進(jìn)行了該設(shè)計(jì)的可行性驗(yàn)證。

1 多功能顯示控制器的端口設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)能夠驅(qū)動(dòng)LCD1602/LCD12864兩種液晶模塊的多功能顯示控制器，就必須同時(shí)兼顧這二者的封裝端口引腳和用途；對(duì)多功能顯示控制器的端口做出兼容性設(shè)計(jì)。

LCD1602液晶模塊是一款最常用、最便宜的工業(yè)字符型液晶顯示屏[1]，它可以顯示 16×2個(gè)、5×7的點(diǎn)陣字符．模塊的字模存儲(chǔ)器CGROM（Character Generator ROM）中固化192個(gè)常用字符的字模，另外還有8個(gè)允許用戶自定義的字符存儲(chǔ)器CGRAM（Character Generator RAM），可以用于少量的自定義圖形顯示（如漢字）。由于顯示單元位間隔和行間隔的存在而導(dǎo)致顯示效果不好，因此LCD1602模塊主要用于西文、ASCII碼字符的顯示，該模塊擁有1個(gè)16引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義如表1所示。

目前，常用的LCD12864模塊是一種內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣型圖形液晶顯示模塊[2-6]；具有串/并多種接口方式，內(nèi)置了8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集，它在字符顯示模式下可以顯示8×4個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字或 16×4個(gè) 16×8點(diǎn)陣的西文（ASCII）字符；它也可以在圖形工作模式下顯示分辨率為128×64的二值化圖形，該模塊擁有1個(gè)20引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義與LCD1602的對(duì)比如表1所示。

表1 LCD模塊的端口定義對(duì)比Tab.1 Comparison of LCD module port

通過(guò)表1所示的LCD12864和LCD1602兩種液晶模塊的端口對(duì)比可以看出，它們的端口定義基本相同，LCD12864模塊只比LCD16021模塊多了PSB（串并選擇）和RST（復(fù)位端）端口，因此；可以完全按照LCD12864的端口要求來(lái)設(shè)計(jì)多功能LCD顯示控制器的端口；PSB和RST端口在驅(qū)動(dòng)LCD1602模塊時(shí)閑置或懸空 （也可以用來(lái)充當(dāng)某些特殊LCD1602屏的電源開關(guān)和背光開關(guān)信號(hào)）。

2 多功能顯示控制器的操作時(shí)序

如果LCD12864液晶模塊工作在并口的數(shù)據(jù)傳輸模式（PSB=1、RST=1）下，就和LCD1602液晶模塊具有完全相同的控制時(shí)序．這就要求多功能控制器產(chǎn)生的E、RW、RS控制信號(hào)具有正確的時(shí)序，LCD模塊的讀/寫操作時(shí)序由使能信號(hào)E完成；對(duì)讀/寫操作的識(shí)別是判斷RW信號(hào)上的電平狀態(tài)；RS信號(hào)用于識(shí)別數(shù)據(jù)總線DB0~DB7上的數(shù)據(jù)是指令代碼還是屬于顯示數(shù)據(jù)[4，6]，控制信號(hào)的操作時(shí)序如圖1所示。

在如圖1所示的操作時(shí)序圖形中，LCD模塊都給出了關(guān)鍵時(shí)間參數(shù)（不同廠商產(chǎn)品有差異），一般要求數(shù)據(jù)讀寫周期TC≥13μs；使能脈沖寬度 TPW≥1.5μs；數(shù)據(jù)建立時(shí)間 TDSW≥1 μs；數(shù)據(jù)保持時(shí)間TH≥20 ns；地址建立和保持時(shí)間 （TAS和TAH）不得小于1.5μs，因此在多功能LCD顯示控制器IP核的設(shè)計(jì)中，必須設(shè)置有延時(shí)配置參數(shù)以滿足控制器的多種模塊驅(qū)動(dòng)調(diào)試。

圖1 LCD模塊的操作時(shí)序圖Fig.1 Operating sequence diagram of LCD module

LCD12864和LCD1602液晶模塊都有自己一套嚴(yán)格用戶指令集[1-6]，用戶就是通過(guò)這些指令來(lái)初始化液晶模塊來(lái)選擇顯示模式，這就要求多功能的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器同時(shí)包含多種顯示模式的用戶配置指令，LCD12864和LCD1602液晶模塊字符、圖形顯示模式的初始化指令如表2所示，對(duì)于指令的解釋在此不再詳述。

表2 LCD模塊的初始化指令Tab.2 Initialization comm ands of LCD module

通過(guò)表2的指令對(duì)比可以看出兩種顯示模塊的字符顯示初始化指令完全一致，僅僅是顯示行的起始地址有所不同；這就需要在LCD多功能顯示控制器中設(shè)置參數(shù)跳轉(zhuǎn)，來(lái)根據(jù)模塊配置參數(shù)自動(dòng)加載相應(yīng)的行起始地址．而對(duì)于LCD模塊的圖形顯示模式需要用到擴(kuò)展指令集，并且需要分成上下兩個(gè)半屏設(shè)置起始地址，上半屏垂直坐標(biāo)Y：8’h80~9’h9F（32行），水平坐標(biāo)X：8’h80；下半屏垂直坐標(biāo)和上半屏相同，而水平坐標(biāo) X：8’h88。

3 多功能顯示控制器的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

基于FPGA設(shè)計(jì)LCD顯示控制器，關(guān)鍵在于采用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)（FSM）來(lái)控制LCD模塊的跳轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)[6-7]中就是使用FSM實(shí)現(xiàn)了對(duì)LCD模塊的顯示控制，但是它們都是針對(duì)一種類型LCD模塊的某種顯示模式，不具有多模式的顯示控制能力．因此，多功能LCD顯示控制器的有限狀態(tài)機(jī)就需要設(shè)置更多的條件轉(zhuǎn)換，來(lái)實(shí)現(xiàn)多種控制模式，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

圖2 多功能LCD顯示控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.2 State transition diagram of multifunctional LCD controller

在圖2所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中，系統(tǒng)上電后，首先完成持續(xù)大約0.1 s（根據(jù)時(shí)鐘頻率配置）的自動(dòng)復(fù)位，然后才根據(jù)模塊的端口參數(shù)選擇不同顯示模式所對(duì)應(yīng)的初始化命令．在狀態(tài)機(jī)中設(shè)置有初始化命令、起始行地址和屏顯示數(shù)據(jù)3條轉(zhuǎn)換路徑來(lái)適應(yīng)LCD屏的工作狀態(tài)，同時(shí)也在關(guān)鍵轉(zhuǎn)換路徑上設(shè)置有可以配置的延時(shí)循環(huán)，這樣既能方便LCD模塊的工作調(diào)試，又能使LCD模塊一直工作在寫屏模式（RW=0）．對(duì)于LCD屏的顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以完全采用FPGA內(nèi)嵌的ROM/RAM單元實(shí)現(xiàn)，如果使用雙口RAM（存儲(chǔ)器讀寫?yīng)毩ⅲ┚湍軐?shí)現(xiàn)LCD模塊的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

4 多功能顯示控制器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

使用康芯KX7C5T FPGA開發(fā)板 （Altera Cycle II EP2C5T144C8）、KB12864KZK、RT1602C 和 4×4 鍵盤組成多功能LCD控制器的硬件測(cè)試平臺(tái)；設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)Quartus II 9.1開發(fā)工具的工程編譯和芯片下載配置后得到的實(shí)際顯示效果圖如圖3所示，其中圖3（a）是LCD1602模塊的字符顯示效果圖；屏的第1行顯示靜態(tài)字符，第2行實(shí)時(shí)顯示鍵盤輸入鍵值。圖3（b）是LCD12864模塊的中西文混合字符顯示效果圖，第4行也是實(shí)時(shí)顯示鍵盤輸入鍵值。圖3（c）是LCD12864模塊的靜態(tài)圖片顯示效果圖 （ROM存儲(chǔ)）；圖3（d）是LCD12864模塊的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形顯示效果圖 （雙口RAM存儲(chǔ)），這是用多功能LCD顯示控制器實(shí)現(xiàn)的邏輯分析儀界面。

5 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的多功能LCD顯示控制器，在FPGA開發(fā)板上的驗(yàn)證結(jié)果表明，它完全具有能夠驅(qū)動(dòng)LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊顯示字符和實(shí)時(shí)顯示圖形的功能；并能夠通過(guò)端口參數(shù)配置而實(shí)現(xiàn)控制器的系統(tǒng)移植。

圖3 多功能LCD顯示控制器的測(cè)試效果圖Fig.3 Test results of multifunctional LCD controller

[1]李建波.LCD1602漢字顯示技術(shù)在萬(wàn)年歷中的應(yīng)用及Proteus仿真[J].清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，3（3）:35-38.LI Jian-bo.Application of chinese characters display technology of 1602 in calendar and proteus simulation[J].Journal of Qingyuan Polytechnic，2010，3（3）:35-38.

[2]郭改枝，張鵬舉.單片機(jī)控制液晶屏接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，39（4）:425-427.GAO Gai-zhi，ZHANG Peng-ju.Design and implement o f LCD control inter face circuit based on single-chip computer[J].Journal of Inner Mongolia Normal University：Natural Science Edition，2010，39（4）:425-427.

[3]莊聰聰，王大明，李寒.基于ARM與FPGA的LCD控制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（6）:14-16.ZHUANG Cong-cong，WANG Da-ming，LI Han.Design of LCD controller based on ARMand FPGA[J].Electronic Design Engineering，2010，18（6）:14-16.

[4]朱奕丹.基于Nios II軟核的LCD控制器的設(shè)計(jì)[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，24（4）:21-25.ZHU Yi-dan.Design of a LCD controller based on nios II[J].Journal of Beijing Union University：Natural Sciences，2010，24（4）:21-25.

[5]譚保華.基于凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)的一種通用漢字顯示方法實(shí)現(xiàn)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2010，23（8）:41-42.TAN Bao-hua.A universal display method of Chinese characters based on SPEC061A [J].Development and Application of Computer，2010，23（8）:41-42.

[6]于鵬.一種基于CPLD的12864LCD控制器設(shè)計(jì)[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（2）:192-196.YU Peng.A kind of 12864LCD controller based on CPLD[J].Journal of Bohai University：Natural Science Edition，2010，31（2）:192-196.

[7]王宏斌，王紫婷，王媛斌.基于FPGA的液晶顯示控制器的設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（1）:53-55.WANG Hong-bin，WANG Zi-ting，WANG Yuan-bin.Design of LCD controller based on FPGA[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University，2010，29（1）:53-55.