FPGA的LCD液晶顯示器設(shè)計(jì)

　　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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，符合LCD顯示器要求，達(dá)到各種顯示效果。

　　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(kāi)發(fā)板上的一個(gè)內(nèi)嵌Si.tronix 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、CGROM、CG RAM，送數(shù)據(jù)之前應(yīng)先初始化。

　?。?）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?，需初始化地址?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。

　?。?）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(xiě)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(xiě)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(xiě)數(shù)據(jù)給顯示屏，在寫(xiě)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(kāi)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。

　?。?）寫(xiě)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。

　?。?）寫(xiě)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。

　?。?）寫(xiě)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。

　?。?）寫(xiě)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。

　?。?）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。

　?。?）發(fā)顯示開(kāi)/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(xiě)數(shù)據(jù)給顯示屏

　　具體步驟如下：

　?。?）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。

　?。?）再發(fā)送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)值即使用DD RAM命令寫(xiě)數(shù)據(jù)給顯示屏。8位數(shù)據(jù)值通過(guò)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(xiě)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(xiě)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(xiě)數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)不停的寫(xiě)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：

　?。?）初始化CG RAM地址；

　?。?）往CG RAM中寫(xiě)入漢字對(duì)應(yīng)的字模信息；

　?。?）建立好字模后，往DD RAM中寫(xiě)索引值，范圍為（0x00~0x07），則新建的字符就會(huì)顯示出來(lái)。

　　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(xiě)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(xiě)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(lái)實(shí)現(xiàn)；

　　（2）通過(guò)程序設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)的顯示字符，這樣原來(lái)顯示字符的位置上就會(huì)出現(xiàn)空白內(nèi)容，再通過(guò)程序判斷當(dāng)前位置的字符，若為空白內(nèi)容則將原來(lái)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(lái)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(xiě)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：

　　If Dat=“00110001”then ---- “00110001”顯示“1”；

　　Dat：=“00100000”； ---“00100000”顯示空白內(nèi)容；

　　w_state 《= wr64；

　　elsif Dat = “00100000” thenDat ：= “00110001”；

　　w_state 《= wr85；

　　end if；

　　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(kāi)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(kāi)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：

　　if cPos 《 “10001111” then --- cPos 為指向地址的變量

　　cPos ：= cPos+1； ---第一行時(shí)逐次加1

　　elsif cPos = “10001111”then ----第一行最后1位置跳到第二行第1個(gè)位置

　　cPos ：= “10101000”；

　　elsif cPos 《 “10110111”then

　　cPos ：= cPos+1； ---第二行時(shí)逐次加1elsif cPos = “10110111”then -- 返回到初始地址

　　cPos ：= “10000000”；

　　end if；

　　字符的移動(dòng)顯示需用動(dòng)畫(huà)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(yǔ)

　　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(méi)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(lái)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。