邏輯分析儀測試在基于FPGA的LCD顯示控制中的應用

邏輯分析儀測試在基于FPGA的LCD顯示控制中的應用

摘要：邏輯分析儀作為基礎儀器，應該在基礎數(shù)字電路教學中得到廣泛應用。本文介紹了基于FPGA的液晶顯示控制設計方案，通過使用OLA2032B邏輯分析儀，對控制線進行監(jiān)測與分析，保證設計方案的準確性，或者在設計出現(xiàn)問題時，快速定位和解決問題。結(jié)果表明，邏輯分析儀在數(shù)字電路的設計、調(diào)試和分析中，起著很重要的作用。

關鍵字：LCD；邏輯分析儀；總線分析；觸發(fā)

一、引言

邏輯分析儀是數(shù)字設計驗證與調(diào)試過程中公認最出色的工具，它能夠檢驗數(shù)字電路是否正常工作，并幫助用戶查找并排除故障。邏輯分析儀的主要特點是能夠同時觀察多個信號；能夠按高低電平、升降沿等模式觸發(fā)多條信號線，并查看結(jié)果。在基礎教學實驗室中，邏輯分析儀應該與示波器處于同等重要的地位，但示波器的身影隨處可見，邏輯分析儀多數(shù)是紙上談兵，而且隨著很多仿真軟件的成熟，設計人員在計算機上便可以觀察被控器件的輸出信號，這樣在教學實驗室中，就回避了價格昂貴、操作繁瑣、不易維修的邏輯分析儀，但軟件仿真與硬件輸出有時會有一定的差距，這就會造成設計結(jié)果與我們預想的結(jié)果不同，而且很難查找其原因，這就需要我們觀察硬件電路輸出的控制信號。本文針對邏輯分析儀的使用，主要介紹了OLA2032B獨立臺式邏輯分析儀在EDA實驗教學中的一個典型的應用——基于FPGA的液晶顯示控制設計方案。

二、LCD顯示控制原理簡介

1、LCD的顯示控制原理

實驗的過程中使用了清華大學提供的EDA GW48-PK2教學實驗箱，主要使用其中的液晶顯示模塊，此液晶顯示器為HS12864-3型液晶顯示器，它是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器和列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，包含七種指令，讀寫指令共用八路數(shù)據(jù)。可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(16×16點陣)漢字。

在實驗箱上，可以由FPGA直接控制LCD液晶顯示器，如圖1所示，F(xiàn)PGA保存子模，生成繪圖指令，并根據(jù)指令生成相應的時序，發(fā)送給LCD。LCD端的DDRAM控制器接收時序控制信號并將圖像顯示在液晶屏上。

液晶模塊的硬件構(gòu)成如圖2所示，液晶屏被分為左右兩個區(qū)域，它是通過片選信號CS0、CS1選擇當前信號所控制的區(qū)域，讀寫指令共用八路數(shù)據(jù)，通過幾根控制線完成液晶顯示器的讀寫工作。該設備內(nèi)置64×64位的顯示存儲器DDRAM，顯示屏上各像素點的顯示狀態(tài)與DDRAM中的數(shù)據(jù)一一對應，DDRAM的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動信號。DDRAM中某一點的數(shù)據(jù)為“1”，則液晶屏上相應的像素點顯示；DDRAM中某一點的數(shù)據(jù)為“0”，則液晶上相應的像素點不顯示。圖2中，IC3為行驅(qū)動器，IC1、IC2為列驅(qū)動器，IC1、IC2、IC3中含有很多功能器件。

圖2 模塊主要硬件構(gòu)成

通過控制DI、RW、E、CS1和CS2這五個信號管腳的電平并向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送相應的數(shù)據(jù)，我們可以對液晶屏控制器進行簡單的操作指令，如顯示開關設置、顯示起始行設置、地址指針設置和數(shù)據(jù)讀/寫等指令。這些指令可以分為兩類，即顯示狀態(tài)設置指令和數(shù)據(jù)讀/寫操作指令，根據(jù)控制指令表（表1）書寫操作指令。

其中：D/I：數(shù)據(jù)/指令標志位，0表示數(shù)據(jù)總線上信號為指令，1表示數(shù)據(jù)總線上信號為數(shù)據(jù)；

R/W：讀/寫標志位，0表示FPGA向數(shù)據(jù)總線上做寫操作，1表示FPGA讀數(shù)據(jù)總線。

表1 液晶屏控制指令表

如圖3所示，在設計的過程中，讀寫時序非常關鍵，為保證讀寫操作的正確性，可用邏輯分析儀進行調(diào)試，主要觀察信號的時序關系，以及讀寫的數(shù)據(jù)值的正確與否。讀寫時序有具體的時序參數(shù)要求，可以通過邏輯分析儀的測量功能，測量其中時間參數(shù)與讀取時序參數(shù)表對照，具體測量方法詳見下文。

圖3 讀寫操作時序

2、設計思路

LCD顯示控制器設計要點：

1) LCD的讀寫是一個連續(xù)的過程，需要設置好起始地址后連續(xù)的進行寫入，這需要一個狀態(tài)機來實現(xiàn)（LCD控制器）；

2) 向LCD發(fā)送指令之前需要確定LCD的狀態(tài)是否可以接收指令，即要先進行讀狀態(tài)字的操作，這也需要一個狀態(tài)機來實現(xiàn)（LCD讀/寫接口）。

3) HS12864-3液晶屏自帶DDRAM，讀寫DB[7..0]實際上是和DDRAM交換數(shù)據(jù)。

4) 由于DDRAM為并行8位數(shù)據(jù)總線，為了發(fā)送數(shù)據(jù)盡可能簡單，建議在LCD模塊中采用雙向8位RAM。

5) 不斷刷新128*64的每一像素的數(shù)據(jù)，但只需產(chǎn)生數(shù)據(jù)向雙向RAM中刷新。無需關心如何繪制到LCD上。

三、使用邏輯分析儀進行調(diào)試

1、設計過程中出現(xiàn)的問題

在實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)LCD模塊每隔一段時間可能產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的因素，左半屏可能會不顯示，有時出現(xiàn)滾屏的現(xiàn)象，有時會在液晶顯示器上出現(xiàn)散點，或出現(xiàn)圖像混亂現(xiàn)象，如圖4所示。這種現(xiàn)象一般由于控制指令出現(xiàn)問題，控制線與數(shù)據(jù)線的時序關系出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)這種現(xiàn)象需要使用邏輯分析儀進行調(diào)試。

圖4 液晶顯示的異?，F(xiàn)象

2、搭建實驗環(huán)境

基于以上問題，需要我們搭建一套實驗環(huán)境，查找液晶顯示過程中可能出現(xiàn)的錯誤，實驗設備以邏輯分析儀為主，配備相應的測試附件，如果希望存儲實驗數(shù)據(jù)或者設置，還需要將邏輯分析與PC相連，利用邏輯分析儀的配套軟件，將所要的數(shù)據(jù)存儲下來。這樣便搭建了PC實時控制軟件＋OLA邏輯分析儀＋DUT待測設備的實驗環(huán)境。