王向玲

（呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，山西呂梁 033000）

基于FPGA的LCD液晶顯示器設(shè)計(jì)

王向玲

（呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，山西呂梁 033000）

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(jì)采用Spartan-3E FPGA為硬件，該2×16字符型LCD內(nèi)嵌一個(gè)Sitronix ST7066U圖形控制器，實(shí)現(xiàn)了LCD顯示器的字符或者漢字的滿屏顯示、滿屏移動(dòng)顯示以及單個(gè)字符在屏幕上的移動(dòng)顯示，所有功能用VHDL語言實(shí)現(xiàn)，符合LCD顯示器要求，達(dá)到各種顯示效果。

Spartan-3E；滿屏移動(dòng)顯示；VHDL

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(jī)、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(qiáng)機(jī)動(dòng)性。

本設(shè)計(jì)采用Spartan-3E開發(fā)板上的一個(gè)內(nèi)嵌Sitronix ST7066U圖形控制器的字符型LCD，實(shí)現(xiàn)了：(1)單個(gè)字符在任意位置的顯示以及字符的滿屏顯示及滿屏移動(dòng)顯示；(2)自定義字符（漢字）的顯示以及單個(gè)字符的滿屏移動(dòng)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(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)空間，DD RAM、CG ROM、CG RAM，送數(shù)據(jù)之前應(yīng)先初始化。

(1)DD RAM（顯示數(shù)據(jù)RAM）

存儲(chǔ)字符編碼，從物理上講DD RAM共有80個(gè)字符位置，每行有40個(gè)字符，但只有16個(gè)可被顯示，剩余的24個(gè)不被顯示。在讀或?qū)懼埃璩跏蓟刂酚?jì)數(shù)器，地址計(jì)數(shù)器在讀或?qū)懼罂杀３殖?shù)或者自動(dòng)增1或減1。

(2)CG ROM（字符產(chǎn)生器ROM）

包含每個(gè)事先定好的字符的字體位圖。

(3)CG RAM（字符產(chǎn)生器RAM）

包含8位的自定義字符位圖，每個(gè)自定義字符位由8行位圖的5個(gè)點(diǎn)組成，具體用法與DD RAM相同。

1.1 與FPGA的接口信號(hào)

LCD與FPGA的接口信號(hào)[2]有：

(1)使能信號(hào)LCD_E；

(2)寄存器選擇信號(hào)LCD_RS；

(3)讀∕寫控制信號(hào)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(shí)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(shí)間至少230 ns。在許多應(yīng)用中，LCD_RW恒置低，因?yàn)橐话悴粫?huì)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(shí)間至少1us。一個(gè)8位的寫操作在下個(gè)通信之前間隔時(shí)間至少為40 us，而在清屏命令之后該延時(shí)需增至1.64 ms。

圖1 字符型LCD接口時(shí)序圖

2 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)

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(shí)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：

（1）等待至少15 ms，即750000個(gè)時(shí)鐘周期。

（2）寫SF_D＜11：8＞=0x3，LCD_E保持高電平12個(gè)時(shí)鐘周期。

（3）等待至少4.1 ms，即205000個(gè)時(shí)鐘周期。

（4）寫SF_D＜11：8＞=0x3，LCD_E保持高電平12個(gè)時(shí)鐘周期。

（5）等待至少100 us，即5000個(gè)時(shí)鐘周期。

（6）寫SF_D＜11：8＞=0x3，LCD_E保持高電平12個(gè)時(shí)鐘周期。

（7）等待至少40 us，即2000個(gè)時(shí)鐘周期。

（8）寫SF_D＜11：8＞=0x2，LCD_E保持高電平12個(gè)時(shí)鐘周期。

（9）等待至少40 us，即2000個(gè)時(shí)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)。

（1）發(fā)功能設(shè)置命令0x28，配置顯示屏。

（2）發(fā)進(jìn)入模式命令0X06，顯示屏設(shè)置為自動(dòng)增地址指針，設(shè)置指針移動(dòng)方向?yàn)橄蜃笄乙?guī)定不移動(dòng)顯示。

（3）發(fā)顯示開∕斷命令0x0c，將顯示字符的地址存儲(chǔ)在DD RAM中。

（4）最后發(fā)清屏命令，此后等待時(shí)間至少為1.64 ms。

3.寫數(shù)據(jù)給顯示屏

具體步驟如下：

（1）先指定初始地址即發(fā)送一個(gè)設(shè)置DD RAM地址命令給DD RAM中指定的初始7位地址。

（2）再發(fā)送一個(gè)或多個(gè)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(chǔ)的位圖驅(qū)動(dòng)5×8點(diǎn)陣給相應(yīng)的字符。

如果地址計(jì)數(shù)器配置為自動(dòng)增1，則可依次寫多個(gè)字符編碼，每個(gè)字符自動(dòng)存儲(chǔ)并顯示在下個(gè)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(huì)自動(dòng)在第二行顯示，因?yàn)镈D RAM的映射從第一行到第二行不連續(xù)。

2.2 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

按照上面的步驟，先對(duì)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(gè)字符的顯示

先設(shè)定一個(gè)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(shí)序關(guān)系達(dá)到單個(gè)字符的顯示。默認(rèn)地址設(shè)置為自動(dòng)遞增，若在初始地址的基礎(chǔ)上遞加，則顯示字符就會(huì)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(huì)出現(xiàn)在第2個(gè)位置。

2.字符的滿屏顯示及滿屏移動(dòng)顯示

在顯示單個(gè)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(huì)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(shí)，最低位定義是否移動(dòng)顯示，若將最低位改為1時(shí)，則會(huì)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(shí)用戶需要自定義，如漢字的顯示。具體步驟如下：

（1）初始化CG RAM地址；

（2）往CG RAM中寫入漢字對(duì)應(yīng)的字模信息；

（3）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(huì)顯示出來。

圖3 自定義字符的顯示

初始化CG RAM地址時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)字符在整個(gè)屏幕上的移動(dòng)顯示

能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)顯示的方法有兩種[3]：

（1）將前一個(gè)位置顯示的字符清除掉，在下個(gè)位置顯示同樣的字符達(dá)到移動(dòng)顯示的效果，這需要使用清屏命令來實(shí)現(xiàn)；

（2）通過程序設(shè)計(jì)來控制：對(duì)前一個(gè)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(huì)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(dòng)遞增，故在下一個(gè)位置上就會(huì)出現(xiàn)與原來相同的字符，依次類推，最終結(jié)果就是單個(gè)字符在整個(gè)屏幕上的移動(dòng)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(gè)字符時(shí)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(dòng)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：

由于顯示屏上每行只有16個(gè)字符可以顯示，所以要想達(dá)到在整個(gè)屏幕上移動(dòng)顯示，需要對(duì)地址準(zhǔn)確控制。

地址控制具體步驟：從第一行的第1個(gè)位置開始逐次加1，當(dāng)?shù)降?6個(gè)位置時(shí)，將地址加24使其跳到第二行的第1個(gè)位置，緊接著從第二行的第1個(gè)位置開始逐次加1直到第16個(gè)位置，當(dāng)?shù)搅说诙械牡?6個(gè)位置時(shí)將地址再返回到初始地址即第一行的第一個(gè)位置。程序代碼如下：

字符的移動(dòng)顯示需用動(dòng)畫演示，圖4僅列出四個(gè)特殊位置的顯示效果圖。

圖4 單個(gè)字符的滿屏移動(dòng)顯示圖

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了字符型液晶顯示器的多樣化顯示，創(chuàng)新點(diǎn)是：?jiǎn)蝹€(gè)字符的滿屏移動(dòng)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(shí)現(xiàn)。由于可以對(duì)該顯示器進(jìn)行多次編程，能方便地應(yīng)用于實(shí)際，滿足現(xiàn)代化的要求。

[1]賴義漢,傅智河,張衛(wèi)平.基于FPGA液晶顯示器接口設(shè)計(jì)[J].龍巖學(xué)院學(xué)報(bào),2008,26(6)：41-43.

[2]覃永新,陳文輝,李克儉.基于FPGA的液晶顯示控制器的研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008,30(4)：80-83.

[3]徐志軍.基于VHDL的CPLD／FPGA開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002：72-76.

[4]任勇峰,莊新敏.VHDL與硬件實(shí)現(xiàn)速成[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2005：41-48.

Design of LCD Screen Based on FPGA

WANG Xiang-Ling
(Department of Mining Engineering,LvLiang University，Lvliang Shanxi,033000)

LCD display is fit for military equipment as a display panel,this design adopts the spartan-3E FPGA for the hardware,the 2×16 charactered LCD which has a built-in graphical controller Sitronix ST7066U,it supports the display of some characters or Chinese characters on the whole screen,and the locomotive display of full screen,and the display of a character which can move on the whole screen,all uses VHDL,and it is up to the mustard of LCD and achieves the effect of various display.

Spartan-3E;locomotive display of full screen;VHDL

TN29

A

1674-0874(2016)01-0032-03

2015-11-27

王向玲（1985-)，女，山西平遙人，碩士，助教，研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、高速電路設(shè)計(jì)。

〔責(zé)任編輯 高彩云〕