崔旭晶，馬平全

（沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽110015）

可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它設(shè)計方式靈活，具備軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。SOPC在設(shè)計上以集成電路IP核為基礎(chǔ)，而自行開發(fā)的SOPC IP核，根據(jù)實際硬件資源和功能任務(wù)需求來定制顯示控制功能，可以增強系統(tǒng)可靠性和設(shè)計靈活性，降低了成本。目前針對LCD顯示屏設(shè)計的控制器IP核文章較多[1-2]，但對于TFT-LCD觸控屏設(shè)計的控制器IP核文章較少[3]，而且這類文章中很少見對控制器各個模塊進行仿真驗證內(nèi)容。

文中提出一種針對TFT-LCD觸控屏控制器IP核的設(shè)計方法。該控制器具有Avalon總線接口，與其他標(biāo)準(zhǔn)IP核一起構(gòu)成以NiosⅡ為核心的片上系統(tǒng)。針對本設(shè)計中觸控屏幀緩存讀操作的特點，選擇以Avalon主端口接口的形式對模塊進行開發(fā)，大大提高了處理器運行效率，同時實現(xiàn)了觸控屏控制器IP核的參數(shù)化設(shè)計，提高了控制器對于不同LCD屏的可復(fù)用性，最后通過對輸出緩沖FIFO的使用，解決了數(shù)據(jù)讀出時鐘與像素時鐘不同步問題。

1 觸控屏控制器總體結(jié)構(gòu)

在SDRAM中開辟一段儲存空間，用來存放屏幕圖像數(shù)據(jù)，稱之為幀緩存。通過設(shè)計適當(dāng)?shù)挠布壿媮斫彺媾c屏幕圖像像素之間的一一對應(yīng)關(guān)系，并配合觸控屏顯示所必需的行、場時序信號，將幀緩存中的數(shù)據(jù)不斷地輸送給觸控屏，完成最終的顯示刷新，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 觸控屏控制器總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Whole structure block diagram of the touch panel controller

觸控屏控制器刷新周期開始時，主端口模塊根據(jù)幀緩存地址生成邏輯所產(chǎn)生的地址，完成主端口的讀操作，實現(xiàn)幀緩存中數(shù)據(jù)讀取，并將該數(shù)據(jù)輸送給輸出緩沖模塊。同時，時序信號生成模塊依據(jù)觸控屏的時序規(guī)范生成行、場同步信號，以及與像素同步的相關(guān)顯示點的橫、縱坐標(biāo)。觸控屏控制器數(shù)據(jù)顯示模塊不斷從緩存中讀取屏幕顯示數(shù)據(jù)。

2 觸控屏控制器模塊設(shè)計

2.1 Avalon-MM Slave接口模塊

本模塊掛載在Avalon總線上作為從設(shè)備使用，用來對所有的用戶邏輯進行配置和控制，核心功能是寄存器操作，包括讀、寫以及一些特殊指示與狀態(tài)信號的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換。通過從端口得到的數(shù)據(jù)分別賦值給相應(yīng)的寄存器，寄存器分為：FIFO地址寄存器、坐標(biāo)寄存器、一幀數(shù)據(jù)長度寄存器。本模塊是最后在觸控屏上實現(xiàn)圖形顯示功能的接口電路。

2.2 Avalon-MM Master接口模塊

LCD控制器的本功能是產(chǎn)生LCD時序信號，將幀緩存中的圖像信息進行有序輸出。由于圖形是一幀一幀地輸出到觸控屏上，而且顯示刷新過程是無限循環(huán)的，所以必須反復(fù)執(zhí)行幀緩存讀操作，因此本設(shè)計對上述讀操作進行了硬件加速?？梢圆粩嗟貜腇IFO讀取圖像數(shù)據(jù)，并且在行、場和觸控屏顯示有效時間段讀取圖像數(shù)據(jù)，其它時間不讀圖像數(shù)據(jù)，這樣減少了Avalon總線的使用，有利于圖像顯示并減少了總線負擔(dān)。分析讀幀緩存的操作可以發(fā)現(xiàn)，該過程總是按照一定的順序，將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出來進行顯示輸出，規(guī)律性非常強。

本模塊主要完成地址及操作時序的產(chǎn)生、像素數(shù)據(jù)緩存寫操作控制、數(shù)據(jù)寬度的變換等功能。

2.3 觸控屏?xí)r序產(chǎn)生模塊

本文的觸控屏引出信號線有5根：像素數(shù)據(jù)信號、觸控屏?xí)r鐘信號、行同步信號、場同步信號、使能信號。為了實現(xiàn)觸控屏的正常顯示，必須對以上信號按照規(guī)范的時序進行驅(qū)動，其中，行、場同步信號分別用來標(biāo)記屏幕上一行和一幀圖像的顯示時間，屏幕掃描線從上到下、從左到右依次掃描。在這個過程中，只需將幀緩存中的圖像像素數(shù)據(jù)依次輸出，就可以實現(xiàn)屏幕圖像顯示。

2.4 FIFO幀緩存模塊

DDR控制器隨著系統(tǒng)時鐘不斷往FIFO寫數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)寫滿時就不再進行寫狀態(tài)，而等待LCD控制器進行讀狀態(tài)，顏色處理器從FIFO中獲取數(shù)據(jù)，每次從FIFO中讀取32 bit數(shù)據(jù)并不斷送給LCD。

顏色處理器將每一個字節(jié)作為一個像素數(shù)據(jù)，并將一個字節(jié)的像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3個字節(jié)的RGB數(shù)據(jù)。顏色處理器從同步FIFO緩沖器中讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)同步FIFO緩沖器寫和讀相互不沖突時，同步FIFO緩沖器產(chǎn)生讀請求，讓Avalon主端口向Avalon總線發(fā)起讀傳輸，從總線上獲取的數(shù)據(jù)將寫入同步FIFO緩沖器，顏色處理器從FIFO中讀取像素值，并且傳給LCD顯示模塊。

3 Modelsim仿真與測試

1）Avalon從端口仿真與測試

由圖2可知，從端口一位地址對應(yīng)一位數(shù)據(jù)。當(dāng)寫信號有效時，將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的寄存器；當(dāng)讀信號有效時，對應(yīng)寄存器地址將數(shù)據(jù)輸出。通過從端口數(shù)據(jù)寫入來控制LCD模塊，控制LCD讀取圖像的首地址和讀取數(shù)據(jù)的長度。

圖2 從端口仿真波形圖Fig.2 Function simulation waves of avalon slave port

2）Avalon主端口仿真與測試

Avalon模塊的作用是響應(yīng)Avalon主端口的讀請求，并將FIFO中的相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出給Avalon主端口。通過讀信號和相應(yīng)地址主端口，不斷地從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)，并按照LCD時序?qū)D像數(shù)據(jù)輸送給LCD。圖3為Avalon主端口從顯存中讀取數(shù)據(jù)時的仿真波形圖。

3）LCD圖像顯示模塊測試

LCD顯示模塊是將從FIFO中讀出的圖像數(shù)據(jù)在觸控屏上顯示出來。從圖4可以看出，當(dāng) DEN有效時，將像素數(shù)據(jù)分為 R、G、B傳送給 LCD，HCount和 VCount為行計數(shù)器和場計數(shù)器，隨著LCD時鐘將各個像素點傳送給觸控屏。

圖3 主端口仿真波形圖Fig.3 Function simulation waves of avalon master port

圖4 LCD顯示的數(shù)據(jù)Fig.4 LCD_data display

4 基于SOPC觸控屏系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于SOPC觸控屏系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖5所示，其中，SDRAM控制器實現(xiàn)處理器和SDRAM之間的數(shù)據(jù)存取，包括SDRAM存儲程序和字符、圖形以及顏色等數(shù)據(jù)；JTAG UART實現(xiàn)PC和開發(fā)板通信，主要用于調(diào)試，從鍵盤輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后通過NiosⅡ軟件調(diào)試處理器，將數(shù)據(jù)通過LCD接口傳輸?shù)接|控屏上顯示出來[4]。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware structure block diagram of the system

開發(fā)板采用大連宇華公司的H3C40-V6開發(fā)板。板上的FPGA芯片為EP3C40F484C6，觸控屏為4.3英寸彩色數(shù)字TFT-LCD觸控屏，分辨率800×484，可以顯示文字、彩圖等。板上自帶觸控屏顯示驅(qū)動器。

根據(jù)所用到的外設(shè)和器件特性，在SOPC Builder中建立系統(tǒng)所要添加的外設(shè)模塊，主要包括：NiosⅡ、SDRAM控制器、JTAG UART、時鐘橋、三態(tài)橋、鎖相環(huán)和 PIO 等[5-6]。 設(shè)定好各個參數(shù)，再添加LCD控制器，將LCD控制器的Avalon主端口接口連接到SDRAM上。

創(chuàng)建的包含NiosⅡ系統(tǒng)的QuartusⅡ頂層模塊，如圖6所示。

5 基于SOPC觸控屏系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)硬件設(shè)計編寫軟件測試程序，以驗證LCD觸控屏顯示。首先往顯存中寫入預(yù)定的數(shù)據(jù)來初始化顯存，然后通過編程將相應(yīng)的參數(shù)寫入LCD的各個控制寄存器，最后使能LCD控制器，以觀察顯示屏的顯示輸出是否正確。

圖6 頂層系統(tǒng)圖Fig.6 Top-level block diagram of the system

本設(shè)計采用C語言編程，讓觸控屏顯示彩條。在NiosⅡIDE軟件平臺上，創(chuàng)建C/C++工程，配置工程的系統(tǒng)屬性，然后編譯及運行程序。在編譯成功后，自動下載到硬件平臺上開始運行程序，這時在觸控屏上觀察到效果如圖7所示，圖中彩條顏色從上至下分別為紅、淺綠、藍、綠、粉、紅、紫、白、藍。

圖7 觸控屏彩色條紋顯示Fig.7 The colourful stripes showed on the touch panel

6 結(jié) 論

采用自定義添加觸控屏接口控制模塊來定制用戶邏輯外設(shè)。使用硬件描述語言建立控制器模塊并進行仿真測試；采用參數(shù)化組件設(shè)計，使其具有較強的通用性和兼容性。該控制器IP核設(shè)計有效利用FPGA資源，節(jié)約成本，增強系統(tǒng)可靠性和設(shè)計靈活性，并且可移植性強。

[1]劉敏，戴曙光，穆平安.采用SOPC IP核技術(shù)實現(xiàn)液晶屏顯示[J].液晶與顯示，2011，26（5）：665-672.

LIU Min，DAI Shu-guang，MU Ping-an.Implementation of LCD display with IP-based SOPC technology[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（5）：665-672.

[2]王剛，肖鐵軍，時建雷.基于SOPC的LCD控制器IP核設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2009，30（6）：1404-1406.

WANG Gang，XIAO Tie-jun，SHIJian-lei.Design and implementation of the IP core used for a LCD controller based on SOPC[J].Computer Engineering and Design，2009，30（6）：1404-1406.

[3]黃亮，楊景常.基于SOPC的TFT觸摸屏顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].液晶與顯示，2009，24（5）：718-722.

HUANG Liang，YANG Jing-chang.Design and display system for TFT touch-screen based on SOPC[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2009，24（5）：718-722.

[4]王剛.基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與典型實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]AlteraCorporation.SOPCBuilderUserGuideVersion1.0[EB/OL].[2010-12-01].http//：www.altera.com.cn/literature/ug/ug_sopc_builder.pdf.

[6]Altera Corp.NiosⅡ Software Developer，s Handbook[EB/OL].（2007）.http//：www.altera.com.cn.