張?chǎng)?康磊

摘 要：LCD具有工作電壓低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。LCD驅(qū)動(dòng)電路是液晶顯示系統(tǒng)的重要組成部分，常規(guī)LCD驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)發(fā)既浪費(fèi)時(shí)間，而且復(fù)用性也較差。隨著FPGA和SOPC技術(shù)的不斷成熟，基于IP核的設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，縮短上市時(shí)間，因而受到越來(lái)越多開(kāi)發(fā)人員的青睞。本文是基于IP核的LCD控制器的設(shè)計(jì)。首先，討論了LCD控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；接著，為L(zhǎng)CD控制器添加Avalon總線接口信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與Avalon總線的連接，將其封裝成LCD IP核；隨后，為了方便軟件開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)了LCD的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)；最后，構(gòu)建了一個(gè)包含該IP核的SOPC系統(tǒng)，并且在Nios II IDE環(huán)境下，編寫(xiě)程序?qū)υ揑P核的功能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該IP核的軟硬件功能設(shè)計(jì)正確。

關(guān)鍵詞：FPGA，SOPC，LCD，IP核，Avalon總線

前言

Nios II嵌入式處理器是Altera公司提出的SOPC解決方案， 是一種用戶可隨意配置和構(gòu)建的32位嵌入式處理器，結(jié)合豐富的外設(shè)可快速、靈活地構(gòu)建功能強(qiáng)大的SOPC系統(tǒng)[1]，并且其提供了一些通用的IP核，使用非常方便[2]，但是在構(gòu)建SOPC系統(tǒng)時(shí)，這些IP核都是受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的，費(fèi)用比較高。如果設(shè)計(jì)一個(gè)基于Avalon總線的LCD控制器IP核，這樣對(duì)于構(gòu)建一個(gè)具有顯示系統(tǒng)的SOPC系統(tǒng)，就比較具有實(shí)際意義。本文在基于Nios II的SOPC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了LCD顯示驅(qū)動(dòng)IP核，并下載到Cyclone 系列的FPGA中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LCD的顯示驅(qū)動(dòng)。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

（1）了解開(kāi)發(fā)板上的LCD顯示屏的規(guī)格原理。

（2）在Quartus II 8.1軟件環(huán)境下進(jìn)行LCD控制器的實(shí)現(xiàn)。

（3）將實(shí)現(xiàn)的LCD控制器在SOPC Bulider下封裝成為IP核。

（4）建立LCD驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)。

（5）搭建模擬測(cè)試硬件系統(tǒng)。

（6）搭建模擬測(cè)試軟件系統(tǒng)。

2 LCD IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 LCD 驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1.1 設(shè)計(jì)思路

LCD控制器的實(shí)現(xiàn)共包含三個(gè)部分，分別是LCD初始化模塊，LCD顯示模塊，LCD顯示頂層模塊。LCD顯示頂層模塊用于連接初始化與顯示模塊，其中LCD初始化完成后會(huì)有一個(gè)使能信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD顯示模塊工作，通過(guò)頂層文件連接初始化與顯示模塊兩部分使得該系統(tǒng)可以正常工作。

2.1.2 LCD初始化模塊實(shí)現(xiàn)

LCD初始化主要是對(duì)LCD模塊的寄存器進(jìn)行初始化，也就是給寄存器寫(xiě)入預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)，使得LCD可以正常工作。首先確定一系列輸入輸出信號(hào)，比如輸入有時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位信號(hào)，輸出有RS，RW，數(shù)據(jù)位等，通過(guò)把50MHz時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生大于15ms，4.1ms，100us的時(shí)鐘信號(hào)，然后使用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行一系列的賦值工作，當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行到最后一個(gè)狀態(tài)，即模式設(shè)置狀態(tài)，將初始化完成信號(hào)賦值為1，代表初始化完成。

2.1.3 LCD顯示模塊實(shí)現(xiàn)

LCD顯示模塊主要是控制LCD正常工作，通過(guò)8位的數(shù)據(jù)輸入，然后在LCD顯示該8位數(shù)據(jù)代表的字符。首先LCD顯示模塊必須是在LCD初始完成后才能正常工作，所以LCD初始模塊初始完成信號(hào)便是LCD顯示模塊的使能信號(hào)，通過(guò)一系列狀態(tài)，比如清屏狀態(tài)，功能設(shè)置狀態(tài)等，使得輸入的八位數(shù)據(jù)可以到達(dá)輸出部分，并且在每個(gè)狀態(tài)中對(duì)RS，RW等LCD的功能引腳進(jìn)行賦值，以達(dá)到在合適的時(shí)候，將合適的指令與數(shù)據(jù)送到對(duì)應(yīng)的引腳。這樣才能確保LCD顯示模塊正常工作。

2.1.4 頂層模塊的實(shí)現(xiàn)

首先，完成LCD初始模塊與LCD顯示模塊的編碼，然后通過(guò)各種器件進(jìn)行連接，其中LCD初始化完成后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)LCD初始化完成信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD顯示模塊工作，LCD初始化與LCD顯示模塊的輸出都要進(jìn)入一個(gè)擴(kuò)展模塊，除了LCD初始模塊的初始化完成后的信號(hào)，將兩個(gè)模塊的輸出通過(guò)兩個(gè)擴(kuò)展模塊后，再進(jìn)入到一個(gè)二選一數(shù)據(jù)選擇器中，數(shù)據(jù)選擇器的選擇信號(hào)量為初始化的完成信號(hào)，最后，將選擇得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，分別輸送到LCD的功能引腳，LCD的控制器到此完成。

2.2 LCD IP核的封裝

在LCD IP核的封裝過(guò)程中，首先要了解Avalon總線常用信號(hào)接口，這樣才能確保LCD控制器信號(hào)量與Avalon總線連接的正確性；接著，將頂層模塊中的clk、reset_n、chipselect、address、data、write、writedata、export、read

data等信號(hào)與Avalon總線信號(hào)接口對(duì)應(yīng)相連，同時(shí)頂層模塊將LCD 顯示屏的初始化模塊與顯示模塊連接起來(lái)，使得LCD顯示屏可以正常的工作；最后在SOPC Bulider中，將LCD IP核設(shè)置為組件，實(shí)現(xiàn)LCD IP核的封裝。

2.3 建立LCD驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)

LCD驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)主要為了方便開(kāi)發(fā)人員對(duì)該LCD IP核的使用。

3 LCD IP核功能驗(yàn)證

3.1 模擬測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

要驗(yàn)證LCD IP核的功能，首先搭建一個(gè)包含該IP核的模擬測(cè)試硬件系統(tǒng)，然后搭建一個(gè)模擬測(cè)試軟件系統(tǒng)，通過(guò)兩部分的協(xié)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證功能。

3.2 搭建模擬測(cè)試硬件系統(tǒng)

模擬測(cè)試硬件系統(tǒng)是將自定義的LCD IP核添加到一個(gè)具有Nios II處理器、JATG UART、RAM，PIO組件的SOPC系統(tǒng)中，在此過(guò)程中要添加兩類PIO，分別是輸入PIO，中斷PIO，輸入PIO的主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，中斷PIO主要是產(chǎn)生中斷信號(hào)，接著設(shè)置Nios II處理器的異常中斷與復(fù)位地址，自動(dòng)分配地址與中斷號(hào)，最后生成SOPC系統(tǒng)，添加輸入輸出，重命名，編譯綜合，完成后進(jìn)行引腳分配，再次綜合，到此，一個(gè)完整的模擬測(cè)試硬件系統(tǒng)便搭建完畢。

3.3 搭建模擬測(cè)試軟件系統(tǒng)

模擬測(cè)試軟件系統(tǒng)主要是在模擬測(cè)試硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)用LCD驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD IP核的功能進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)在Nios II IDE中創(chuàng)建NIOS II C/C++ Application，編譯該工程，配置和編譯完成后，出現(xiàn)一系列與硬件系統(tǒng)相關(guān)的文件，之后進(jìn)行主函數(shù)的編寫(xiě)，通過(guò)調(diào)用LCD驅(qū)動(dòng)函數(shù)和中斷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，在主函數(shù)中，首先在中斷初始化程序中對(duì)中斷服務(wù)程序進(jìn)行注冊(cè)，當(dāng)捕獲到中斷時(shí)，便進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在此過(guò)程中，先得到輸入PIO的值，然后設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)表示LCD字符的位置，先把字符顯示在LCD顯示屏第一行，當(dāng)計(jì)數(shù)器大于15時(shí)，便把字符顯示在LCD顯示屏的第二行，當(dāng)計(jì)數(shù)器等于31時(shí)，將計(jì)數(shù)器清零，繼續(xù)把字符顯示在LCD顯示屏第一行第一個(gè)位置，這樣便把輸入的值通過(guò)中斷顯示在LCD顯示屏上，通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)字符的Ascll碼，按下中斷按鍵后，對(duì)應(yīng)的字符便會(huì)顯示在LCD顯示屏上。

參考文獻(xiàn)

[1]趙倩編著，Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與FPGA應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012：139-244.

[2]劉敏.采用SOPCIP核技術(shù)實(shí)現(xiàn)液晶屏顯示[J].液晶與顯示，2011，（05）：665-672.endprint