利用FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信接口之： 利用FPGA實(shí)現(xiàn)常用顯示接口（Display Interface）
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10.4利用FPGA實(shí)現(xiàn)常用顯示接口（DisplayInterface）
10.4.1七段數(shù)碼顯示接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
七段數(shù)碼管因?yàn)閮r(jià)格低廉，使用簡單，經(jīng)常被用來實(shí)現(xiàn)一些簡單的狀態(tài)顯示功能。七段數(shù)碼管的標(biāo)準(zhǔn)外觀圖如圖10.16所示。右下角的圓點(diǎn)用Dp來表示，用來實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)的顯示。
七段數(shù)碼管經(jīng)常用來顯示十進(jìn)制或十六進(jìn)制的數(shù)，所以在數(shù)據(jù)顯示之前，首先要進(jìn)行二進(jìn)制到十進(jìn)制或者十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。將它們轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的或是十六進(jìn)制的數(shù)。
七段數(shù)碼管分為共陰和共陽兩種類型。比如，紅色颶風(fēng)開發(fā)板使用的是共陰類型的數(shù)碼管，信號是高電平有效。十六進(jìn)制數(shù)據(jù)在顯示的時(shí)候?qū)?yīng)的各段輸出對應(yīng)關(guān)系如表10.2所示。
表10.2 十六進(jìn)制數(shù)據(jù)與輸出的映射關(guān)系
數(shù)據(jù) | a | b | c | d | e | f | g | Dp |
0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
2 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
4 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
5 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
6 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
7 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
8 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
9 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
A | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
B | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
C | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
D | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
E | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
F | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
紅色颶風(fēng)開發(fā)板上采用的是4位并聯(lián)的數(shù)碼管。4個(gè)數(shù)碼管共用8條數(shù)據(jù)線，控制線是獨(dú)立的。如果4個(gè)數(shù)碼管要顯示不同的數(shù)值，比如顯示1234，那么就需要采用一種控制策略。最常用的方法就是動態(tài)掃描顯示。
動態(tài)掃描顯示利用了時(shí)分的原理和人的視覺暫留效應(yīng)。例如，一個(gè)4位動態(tài)掃描數(shù)碼顯示器的顯示周期可劃分為4個(gè)階段。
階段1→階段2→階段3→階段4
每個(gè)周期只選通一位數(shù)據(jù)。在周期1顯示第一個(gè)數(shù)碼，周期2顯示第二個(gè)數(shù)碼。在掃描4個(gè)階段后，又重新按順序循環(huán)。如果掃描的速度足夠快，從視覺上看就好像4個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示不同的內(nèi)容。
4位掃描數(shù)碼管共有4組BCD碼（4位）輸入線，8根8段譯碼輸出線和4根位選通線。掃描工作中，先從4組BCD數(shù)據(jù)中選出一組，通過BCD/7段譯碼器譯碼后輸出。與此同時(shí)，3/8譯碼器產(chǎn)生位選通信號，則在此瞬間，數(shù)碼管應(yīng)該為要顯示的數(shù)值。然后再選出下一組數(shù)據(jù)譯碼后輸出，位選通信號則相應(yīng)下移一位，將下一數(shù)碼管選通輸出，如圖10.17所示。
圖10.17動態(tài)掃描原理示意圖
10.4.2字符型LCD顯示接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
液晶屏（LCD）通常分為點(diǎn)陣型和字符型兩種。字符型的液晶屏相對于數(shù)碼管來說，可以顯示更多的內(nèi)容和字符，人機(jī)界面更為友好，而且操作簡單，因此得到了廣泛的應(yīng)用。不同廠家的字符型LCD雖然型號不同，但是操作方法基本是一致的。
字符型LCD一般會根據(jù)顯示字符的數(shù)量來確定型號，如1602表示這個(gè)液晶可以顯示2行字符，每行為16個(gè)。紅色颶風(fēng)開發(fā)板上采用的字符型LCD的型號就是1602。下面就以1602為例來介紹字符型LCD顯示接口的設(shè)計(jì)方法。
1602型液晶模塊采用14針標(biāo)準(zhǔn)接口，各個(gè)管腳的定義如表10.3所示。
表10.3 1602型液晶模塊的管腳配置表
管腳 | 符號 | 說明 |
1 | VSS | 器件地 |
2 | VDD | +5V電源 |
3 | V0 | 對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10kW的電位器調(diào)整對比度 |
4 | RS | 寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器 |
5 | RW | 讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平、RW為高電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平、RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù) |
6 | E | 使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令 |
7～14 | D0～D7 | 8位雙向數(shù)據(jù)線 |
1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形。這些字符包括：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等。每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是0100_0001B（41H）。
顯示的時(shí)候，模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。在編程實(shí)時(shí)，只需要輸入相應(yīng)字符的地址，液晶屏就會輸出相應(yīng)的字符。
FPGA對液晶模塊的寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。1602型液晶的操作指令表如表10.4所示。
表10.4 1602型液晶模塊的指令表
序號 | 指令 | RS | RW | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
1 | 清顯示 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
2 | 光標(biāo)返回 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | * |
3 | 光標(biāo)或顯示模式 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | I/D | S |
4 | 顯示開/關(guān)控制 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | D | C | B |
5 | 光標(biāo)或字符移位 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | S/C | R/L | * | * |
6 | 功能設(shè)置命令 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | DL | N | F | * | * |
7 | 字符發(fā)生器地址設(shè)置 | 0 | 0 | 0 | 1 | 字符發(fā)生器地址（AGG） | |||||
8 | DDRAM地址設(shè)置 | 0 | 0 | 1 | 顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM的地址（ADD） | ||||||
9 | 讀忙標(biāo)志或地址 | 0 | 1 | BF | 計(jì)數(shù)器地址（AC） | ||||||
10 | 寫數(shù)據(jù)到RAM | 1 | 0 | 要寫的數(shù)據(jù) | |||||||
11 | 從RAM讀數(shù)據(jù) | 1 | 1 | 讀出的數(shù)據(jù) | |||||||
各條指令的說明如下（表10.4中，設(shè)1為高電平、0為低電平）。
·指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。
·指令2：光標(biāo)返回，光標(biāo)返回到地址00H。
·指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置。其中I/D表示光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移；S表示屏幕上所有文字是否左移或者右移，高電平表示有效，低電平則無效。
·指令4：顯示開/關(guān)控制。其中D表示控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示；C表示控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)；B表示控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。
·指令5：光標(biāo)或顯示移位。其中S/C表示高電平時(shí)移動顯示的文字，低電平時(shí)移動光標(biāo)；R/L表示文字或光標(biāo)的移動方向，高電平為右移，低電平為左移。
·指令6：功能設(shè)置命令。其中DL表示高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線；N表示低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示；F表示低電平時(shí)顯示5×7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5×10的點(diǎn)陣字符。
·指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。
·指令8：DDRAM地址設(shè)置。
·指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址。其中BF表示忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。
·指令10：寫數(shù)據(jù)。
·指令11：讀數(shù)據(jù)。
10.4.3VGA顯示接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
由于VGA接口是模擬信號，而FPGA只能支持?jǐn)?shù)字信號，因此需要專用的D/A轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。常用的DAC芯片有ADI公司的ADV7123或者ADV7125等。
在某些應(yīng)用場合下，VGA顯示器僅僅是用來顯示文字符號或者簡單圖形，不需要豐富的色彩和細(xì)膩的畫面。這時(shí)候，VGA接口就可以適當(dāng)?shù)睾喕?/p>
標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口連接器為DB15，在15個(gè)管腳里面有5個(gè)是最重要的。它們分別是紅、綠，藍(lán)三基色信號和水平、垂直兩個(gè)同步控制信號，如圖10.18所示，其中，VGA_R、VGA_G、VGA_B、VGA_HS、VGA_VS是直接連接到FPGA的管腳。
圖10.18簡化的VGA接口電路連接
FPGA的管腳只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，因此對于每個(gè)色彩分量信號也僅有兩種狀態(tài)。這樣3個(gè)色彩分量就可以組合出8種顏色，如表10.5所示。
表10.5 簡化的VGA接口色彩對照表
VGA_R | VGA_G | VGA_B | 對應(yīng)的顯示顏色 |
0 | 0 | 0 | 黑色 |
0 | 0 | 1 | 綠色 |
0 | 1 | 0 | 藍(lán)色 |
0 | 1 | 1 | 藍(lán)綠色 |
1 | 0 | 0 | 紅色 |
1 | 0 | 1 | 品紅色 |
1 | 1 | 0 | 黃色 |
1 | 1 | 1 | 白色 |
VGA信號如果要正常顯示，那么輸出信號必須滿足一定的時(shí)序關(guān)系。如圖10.19所示為VGA接口電路的通用時(shí)序關(guān)系。不同的分辨率和刷新率有不同的時(shí)序如表10.6所示。
圖10.19VGA接口電路的通用時(shí)序關(guān)系
表10.6 常見分辨率的VGA時(shí)序參數(shù)表
顯示模式 | 像素時(shí)鐘 /MHz | 水平方向（以像素計(jì)算） | 垂直方向（以行計(jì)算） | ||||||
有效視頻信號 | 同步前 | 同步信號 | 同步后 | 有效視頻信號 | 同步前 | 同步信號 | 同步后 | ||
640×48060Hz | 25.175 | 640 | 16 | 96 | 48 | 480 | 11 | 2 | 31 |
800×60060Hz | 40.000 | 800 | 40 | 128 | 88 | 600 | 1 | 4 | 23 |
1024×76860Hz | 65.000 | 1024 | 24 | 136 | 160 | 768 | 3 | 6 | 29 |
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