新型LCD驅(qū)動(dòng)電路IP核的總體設(shè)計(jì)

　　本文介紹了LCD的通用驅(qū)動(dòng)電路IP核設(shè)計(jì)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法將其劃分為幾個(gè)主要模塊，分別介紹各個(gè)模塊的功能，用VHDL語言對(duì)其進(jìn)行描述，用FPGA實(shí)現(xiàn)并通過了仿真驗(yàn)證。該IP核具有良好的移植性，可驅(qū)動(dòng)不同規(guī)模的LCD電路。

　　引言

　　LCD因具有工作電壓低、功耗小、顯示信息量大、壽命長、易集成、方便攜帶和電磁輻射污染小等優(yōu)點(diǎn)，在顯示技術(shù)中異軍突起，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA產(chǎn)品、手持式儀器儀表等便攜式電子產(chǎn)品與設(shè)備中。

　　LCD驅(qū)動(dòng)電路是液晶顯示系統(tǒng)的重要組成部分，是一種計(jì)算機(jī)（或MCU）和液晶屏之間的接口電路，其主要功能是通過調(diào)制輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號(hào)的相位、峰值、頻率等參數(shù)來建立交流驅(qū)動(dòng)電場。由于LCD的規(guī)格相差較大，常規(guī)的方法是針對(duì)每一種LCD開發(fā)專門的驅(qū)動(dòng)電路，這樣的設(shè)計(jì)浪費(fèi)時(shí)間，而且復(fù)用性較差。為此，設(shè)計(jì)一種可用于多數(shù)小規(guī)模LCD驅(qū)動(dòng)電路的IP核，通過復(fù)用該IP核來解決這個(gè)問題是非常必要的。目前，國際上只有I-Shou大學(xué)的Yu-Jung Huang等人設(shè)計(jì)了可驅(qū)動(dòng)不同規(guī)模LCD的驅(qū)動(dòng)電路IP核，通過在系統(tǒng)中植入嵌入式微處理器來實(shí)現(xiàn)這一功能。但是，這種嵌入式微處理器使系統(tǒng)更復(fù)雜，而且成本更高。本文設(shè)計(jì)的可驅(qū)動(dòng)不同規(guī)模LCD的驅(qū)動(dòng)電路IP核是采用FPGA來實(shí)現(xiàn)的，能有效克服電路系統(tǒng)復(fù)雜和高成本這兩個(gè)缺點(diǎn)。

　　設(shè)計(jì)規(guī)范

　　為了滿足當(dāng)今大多數(shù)較小規(guī)模的LCD顯示應(yīng)用的實(shí)際需要，本文所設(shè)計(jì)的LCD驅(qū)動(dòng)電路IP核芯片具有64個(gè)COM（行）和64個(gè)SEG（列）輸出，有高速的8位并行MCU接口及串行接口，芯片內(nèi)含有存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)的RAM，并專門設(shè)計(jì)了10個(gè)控制端，可以方便靈活地進(jìn)行控制。它主要有以下幾個(gè)主要功能：

　　1、為液晶顯示屏提供掃描時(shí)序信號(hào)和顯示信號(hào)數(shù)據(jù)；

　　2、支持以總線形式直接與MCU相連；

　　3、可驅(qū)動(dòng)不同規(guī)模的LCD（n×m），n可以連續(xù)取值（n=0~63），m只可取8的倍數(shù)（m=8k，k取自然數(shù)）；

　　4、支持IP核之間的級(jí)聯(lián)以驅(qū)動(dòng)較大規(guī)模的LCD，最大分別支持4個(gè)IP核行間級(jí)聯(lián)和列間級(jí)聯(lián)；

　　5、可以提供較寬的驅(qū)動(dòng)輸出電壓范圍以適應(yīng)不同的LCD器件；

　　6、提供畫中畫、分屏顯示等功能。

　　IP核的設(shè)計(jì)

　　本文按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，首先對(duì)芯片進(jìn)行層次化功能劃分，同時(shí)參照已有的LCD驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 并結(jié)合“自底向上”的設(shè)計(jì)方法對(duì)部分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)， 最后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架對(duì)各模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)， 并進(jìn)行芯片的整體功能驗(yàn)證， 從而達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)的IP核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該IP核主要由下列幾個(gè)模塊組成：行掃描和列信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊、電平轉(zhuǎn)換器、可預(yù)置數(shù)環(huán)形計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)鎖存模塊、控制邏輯模塊、顯示數(shù)據(jù)RAM與地址譯碼模塊、MCU接口模塊。其中有的大模塊還可細(xì)分為若干子模塊。

　　圖1 IP核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　各模塊設(shè)計(jì)

　　MCU接口模塊

　　MCU接口模塊是IP核與外部控制器（MCU）通信的接口，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。MCU通過該接口對(duì)LCD驅(qū)動(dòng)芯片寫入命令、讀出狀態(tài)或顯示數(shù)據(jù)。同時(shí)該接口也接受命令譯碼器的控制，從而使讀寫與內(nèi)部操作相結(jié)合。該芯片由較為復(fù)雜的內(nèi)部組合邏輯和時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)，可以兼容目前兩種主流的MCU控制信號(hào)，支持串/并行兩種數(shù)據(jù)操作方式。

　　該模塊內(nèi)部除了包含現(xiàn)有常用LCD驅(qū)動(dòng)電路的MCU接口模塊中常用的幾個(gè)子模塊，如數(shù)據(jù)總線（8位）子模塊、忙狀態(tài)檢測子模塊、讀寫控制子模塊、MCU釋放子模塊外，新加入了一個(gè)行級(jí)聯(lián)和列級(jí)聯(lián)控制子模塊。數(shù)據(jù)總線主要用于內(nèi)外部數(shù)據(jù)交換；忙狀態(tài)檢測子模塊用于判斷MCU狀態(tài)，產(chǎn)生系統(tǒng)忙標(biāo)志信號(hào)來協(xié)調(diào)信號(hào)的讀寫操作和接收內(nèi)/外部復(fù)位信號(hào)；讀寫控制子模塊用于產(chǎn)生正確的讀寫控制時(shí)序；MCU釋放子模塊的功能則為通過邏輯組合，在芯片執(zhí)行“讀-修改-寫”過程時(shí)，釋放MCU，以便MCU可以同時(shí)執(zhí)行其它操作；而新加入的級(jí)聯(lián)控制子模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)IP核之間的行級(jí)聯(lián)和列級(jí)聯(lián)，最多可支持16個(gè)IP級(jí)聯(lián)（行列各4級(jí)），CS0~CS1是行級(jí)聯(lián)控制端，CS2~CS3是列級(jí)聯(lián)控制端。舉例說明，假設(shè)有一種LCD（128×256），可用8個(gè)IP核來驅(qū)動(dòng)，設(shè)置時(shí)分別令CS為0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111，就可以構(gòu)成2×4的驅(qū)動(dòng)IP核陣列，其排列示意圖如圖2所示。

　　圖2 IP核級(jí)聯(lián)排列圖（24）

　　顯示數(shù)據(jù)RAM與地址譯碼模塊

　　該模塊主要用于存放將要顯示的數(shù)據(jù)，在MCU接口和信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路之間起緩沖器的作用，以保證顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸出。

　　該模塊包括存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)的RAM陣列和地址譯碼器兩個(gè)子模塊。首先，由列地址電路提供列地址，通過列地址譯碼器選中一列8位的RAM存儲(chǔ)單元，MCU通過接口對(duì)其進(jìn)行讀/寫；然后，由行地址譯碼器對(duì)RAM以行為單位進(jìn)行掃描，結(jié)合顯示數(shù)據(jù)鎖存電路可以實(shí)現(xiàn)整行數(shù)據(jù)的輸出，通過電極驅(qū)動(dòng)電路輸出到液晶顯示器以供顯示。

　　數(shù)據(jù)鎖存模塊

　　該模塊包含兩個(gè)子模塊：列數(shù)控制鎖存子模塊和驅(qū)動(dòng)鎖存子模塊。列數(shù)控制鎖存子模塊由k個(gè)并聯(lián)的8位數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成，主要作用是鎖存數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，在控制邏輯模塊的控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)作用下把從RAM上輸出到8位數(shù)據(jù)總線上的顯示數(shù)據(jù)信號(hào)分別鎖存在相應(yīng)的8位數(shù)據(jù)鎖存器中，64位數(shù)據(jù)需要8次，每次8位輸入。驅(qū)動(dòng)鎖存器子模塊是一個(gè)由64個(gè)1位鎖存器并聯(lián)而成的64位驅(qū)動(dòng)鎖存器，它的作用是在控制邏輯模塊的控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)作用下把上面8個(gè)8位數(shù)據(jù)鎖存器里傳輸來的m位數(shù)據(jù)一次全部鎖存起來，然后輸入到后面的列信號(hào)電極驅(qū)動(dòng)模塊。

　　控制邏輯模塊

　　該模塊的主要作用是控制信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸和選擇列信號(hào)線的數(shù)目。可以通過列數(shù)控制輸入端M來控制列數(shù)控制鎖存器子模塊、驅(qū)動(dòng)鎖存器子模塊和時(shí)鐘發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)適用于不同規(guī)模LCD的功能。根據(jù)需要，通過向列數(shù)控制輸入端M輸入不同的數(shù)值，來控制有多少位列數(shù)控制鎖存器處于工作狀態(tài)，其他的鎖存器單元?jiǎng)t置為空閑態(tài)。在工作周期內(nèi)把顯示數(shù)據(jù)RAM中的數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線鎖存到對(duì)應(yīng)的列數(shù)控制鎖存器中，然后在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制下一次鎖存到驅(qū)動(dòng)鎖存器中，以作為電極驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)。這樣，IP核可以實(shí)現(xiàn)控制選擇驅(qū)動(dòng)列數(shù)的功能。當(dāng)M為“000”時(shí)，列數(shù)控制鎖存器的低8位（第一個(gè)鎖存器）工作，其它的全置閑，對(duì)應(yīng)的列電極是SEG0~SEG7；當(dāng)M為“001”時(shí)，列數(shù)控制鎖存器的低16位（第一和第二個(gè)鎖存器）工作，其它的全置閑，對(duì)應(yīng)的列電極是SEG0~SEG15；依次類推，直到列數(shù)控制鎖存器64位寄存器全部工作，對(duì)應(yīng)的列電極是SEG0~SEG63.

　　電極驅(qū)動(dòng)模塊

　　該模塊主要含有四個(gè)子模塊：行掃描電極驅(qū)動(dòng)子模塊、列信號(hào)電極驅(qū)動(dòng)子模塊、電平轉(zhuǎn)換器和可預(yù)置數(shù)環(huán)形計(jì)數(shù)器。

　　電平轉(zhuǎn)換器的作用是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，通過外加的控制信號(hào)將邏輯信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換為實(shí)際的LCD驅(qū)動(dòng)電壓，并輸出到驅(qū)動(dòng)模塊；行掃描電極驅(qū)動(dòng)子模塊的作用是給行電極提供一定周期的掃描信號(hào)脈沖；列信號(hào)電極驅(qū)動(dòng)子模塊的作用是把來自鎖存器的數(shù)據(jù)施加到相應(yīng)的列電極，與行電極的掃描信號(hào)來建立交流驅(qū)動(dòng)電場，從而驅(qū)動(dòng)LCD器件的顯示?？深A(yù)置數(shù)環(huán)形計(jì)數(shù)器可以通過行數(shù)控制端N（S0~S5）來控制行掃描電極數(shù)，以適應(yīng)不同規(guī)模的LCD屏，根據(jù)實(shí)際的需要通過向行數(shù)控制端N輸入不同的數(shù)值，來控制具體工作的行數(shù)，其它的電極全部置閑。在行驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)控制下，逐行掃描，循環(huán)往復(fù)，直到行數(shù)控制端N輸入新的數(shù)值，再在新數(shù)目的行電極進(jìn)行循環(huán)逐行掃描。例如，當(dāng)外加信號(hào)N為“011011”時(shí)，掃描電極的數(shù)目為27，行掃描驅(qū)動(dòng)子模塊在行電極COM0~COM26上產(chǎn)生逐行掃描信號(hào)，其它行電極COM27~COM63全部都置為低電平，循環(huán)往復(fù)，若施加了新的外加信號(hào)N為“100011”，掃描電極驅(qū)動(dòng)子模塊就在行電極COM0~COM34上產(chǎn)生循環(huán)的逐行掃描信號(hào)。

　　IP核系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　首先，根據(jù)上面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能定義和劃分及對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)各功能模塊分別用VHDL語言進(jìn)行建模；其次，在Xilinx公司的FPGA器件上，用其EDA工具ISE進(jìn)行仿真和綜合調(diào)試，并優(yōu)化設(shè)計(jì)；然后，用VHDL定義頂層模塊將各模塊連接起來，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)試和驗(yàn)證；最后，得到一個(gè)LCD的驅(qū)動(dòng)電路，具有64個(gè)COM（行）和64個(gè)SEG（列） 輸出，有高速的8位并行MCU接口及串行接口，芯片內(nèi)含有存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)的RAM，并且可以通過級(jí)聯(lián)控制端CS來進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展以滿足較大的LCD，通過列數(shù)控制端M和行數(shù)控制端N來適應(yīng)不同規(guī)模的LCD.

　　仿真和驗(yàn)證

　　本文利用Xilinx公司的仿真軟件ISE作為仿真工具，分兩步對(duì)所設(shè)計(jì)的IP核進(jìn)行了驗(yàn)證。

首先，本文先對(duì)IP核的各個(gè)模塊（包括內(nèi)部的子模塊）進(jìn)行了初步的功能驗(yàn)證。然后，參照芯片的工作過程，對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行了整體仿真。圖3和圖4是利用ISE對(duì)整個(gè)IP核的行和列控制功能進(jìn)行仿真而得到的仿真結(jié)果。圖中CLK和CLK1分別是MCU接口模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制時(shí)鐘和行電極掃描脈沖；M和N分別為列電極與行電極數(shù)目選擇控制端； CS的低兩位和高兩位分別為行級(jí)聯(lián)與