圖片顯示系統設計
實驗任務
實驗目的
擴展板卡上集成了1.8寸彩色液晶屏TFT_LCD模塊，大家可以驅動LCD顯示文字、圖片或動態的波形。本實驗主要學習1.8寸串行彩色液晶屏的驅動設計，然后將小腳丫Logo處理顯示，完成圖片顯示系統的總體設計。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202312/453982.htm設計框圖
根據前面的實驗解析我們可以得知，該設計可以拆分成兩個功能模塊實現，
實驗原理
液晶屏介紹
查看底板上集成的1.8寸串行彩色液晶屏規格書，屏幕采用ST7735S的驅動芯片，接下來我們主要根據ST7735S的芯片手冊來了解其工作原理和驅動方法。
ST7735S為132RGB x 162像素點 262K 控制器/驅動器，芯片可以直接跟外部處理器連接，支持串行SPI通信和8/9/16/18位并行通信（本液晶屏集成ST7735S時沒有留并行接口，所以只能使用串行通信），詳細參數請參考數據手冊。
ST7735S支持不同位寬的并行通信格式。
在控制器給屏幕刷屏時，根據MV、MX、MY的配置支持8種不同方向的刷屏模式。
支持大量功能指令，部分系統功能指令列表如下
更多的內容這里就不一一介紹了，感興趣的同學可以詳細閱讀ST7735S芯片手冊。
液晶屏硬件連接
STEP BaseBoard V3.0底板上的1.8寸串行彩色液晶屏模塊電路：
底板上的1.8寸串行彩色液晶屏電路和VGA顯示電路復用部分FPGA管腳，兩者不能同時使用，當使用1.8寸串行彩色液晶屏時，DISPSEL信號置高，驅動1.8寸串行彩色液晶屏使能同時點亮背光，DISP2~ DISP_5分別對應RESET、D/C、SDA、SCK管腳，最后FPGA驅動1.8寸液晶屏完成屏顯示控制即可。
液晶屏驅動設計
要驅動液晶屏需要先了解液晶屏的驅動流程，可以從液晶屏驅動芯片ST7735S的芯片手冊上獲取，也可以到網上找找有沒有別人使用同類液晶屏的案例，或者向賣方問問有沒有相關資料提供，這里我們找到了一個用51單片機驅動的程序例程，例程僅供參考，需要根據例程中的配置到芯片手冊中查找確認，不可以直接套用。
首先完成液晶屏初始化操作，51程序流程如下：
void ST7735_LAIBAO177_INITIAL ()
{
//-----------ST7735R Reset Sequence----------------//
RES =1; delay (1); //Delay 1ms
RES =0; delay (1); //Delay 1ms
RES =1; delay (120); //Delay 120ms
//----------End ST7735R Reset Sequence ------------//
LCD_WriteCommand(0x11); //Sleep out
delay(120); //Delay 120ms
//---------ST7735S Frame Rate-------------------//
LCD_WriteCommand(0xB1); LCD_WriteData(0x05);
LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteCommand(0xB2);
LCD_WriteData(0x05);
LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteCommand(0xB3);
LCD_WriteData(0x05);
LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteData(0x05);
LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteData(0x3C);
//-----------End ST7735S Frame Rate---------------//
LCD_WriteCommand(0xB4); //Dot inversion
LCD_WriteData(0x03);
//-----------ST7735S Power Sequence---------------//
LCD_WriteCommand(0xC0);
LCD_WriteData(0x28);
LCD_WriteData(0x08);
LCD_WriteData(0x04);
LCD_WriteCommand(0xC1);
LCD_WriteData(0XC0);
LCD_WriteCommand(0xC2);
LCD_WriteData(0x0D);
LCD_WriteData(0x00);
LCD_WriteCommand(0xC3);
LCD_WriteData(0x8D);
LCD_WriteData(0x2A);
LCD_WriteCommand(0xC4);
LCD_WriteData(0x8D);
LCD_WriteData(0xEE);
//----------End ST7735S Power Sequence----------//
LCD_WriteCommand(0xC5); //VCOM
LCD_WriteData(0x18); //1a
LCD_WriteCommand(0x36); //MX, MY, RGB mode
LCD_WriteData(0xC0);
//-----------ST7735S Gamma Sequence-----------//
LCD_WriteCommand(0xE0);
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x22); LCD_WriteData(0x07);
LCD_WriteData(0x0A); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x30);
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2A); LCD_WriteData(0x28);
LCD_WriteData(0x26); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x3A);
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x03);
LCD_WriteData(0x13);
LCD_WriteCommand(0xE1);
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x16); LCD_WriteData(0x06);
LCD_WriteData(0x0D); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x26);
LCD_WriteData(0x23); LCD_WriteData(0x27); LCD_WriteData(0x27);
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x3B);
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x04);
LCD_WriteData(0x13);
//------------End ST7735S Gamma Sequence----------//
LCD_WriteCommand(0x3A); //65k mode
LCD_WriteData(0x05);
LCD_WriteCommand(0x29); //Display on
}創建存儲器，將初始化過程中寫的所有指令和數據存儲，同時存儲的還有指令或數據標志，例如初始化第1條指令為8'h11，我們增加最高位1‘b0組成9位位寬數據。存儲器部分指令和數據如下：
initial begin //LCD初始化的命令及數據
reg_init[ 0] = {1'b0,8'h11}; //最高位為0，表示低8位為指令
reg_init[ 1] = {1'b0,8'hb1};
reg_init[ 2] = {1'b1,8'h05}; //最高位為1，表示低8位為數據
reg_init[ 3] = {1'b1,8'h3c};
reg_init[ 4] = {1'b1,8'h3c};從51例程中可以看到，整個初始化過程都在給液晶屏寫指令或數據，通過查看寫指令或寫數據的時序發現，唯一不同的就是對A0(對應底板液晶屏模塊中的D/C信號)的控制，程序實現如下：
void LCD_WriteXXX(uint dat)
{ int i;
A0=0; //寫指令，如果寫數據 A0=1;
CSB=0; //液晶屏使能
for(i=0;i<8;i++)
{
if(dat &0x80) SDA=1;
else SDA=0;
SCL=0; SCL=1;
dat <<=1;
}
CSB=1;
}FPGA驅動液晶屏的設計使用狀態機完成，將寫數據與寫指令的SPI時序整合成一個狀態，另加一位指令數據控制位，程序實現如下：
WRITE:begin //WRITE狀態，將數據按照SPI時序發送給屏幕 if(cnt_write >= 6'd17) cnt_write <= 1'b0; else cnt_write <= cnt_write + 1'b1; case(cnt_write) 6'd0: begin lcd_dc <= data_reg[8]; end //9位數據最高位為命令數據控制位 6'd1: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[7]; end //先發高位數據 6'd2: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd3: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[6]; end 6'd4: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd5: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[5]; end 6'd6: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd7: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[4]; end 6'd8: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd9: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[3]; end 6'd10: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd11: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[2]; end 6'd12: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd13: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[1]; end 6'd14: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd15: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[0]; end //后發低位數據 6'd16: begin lcd_clk <= HIGH; end 6'd17: begin lcd_clk <= LOW; state <= DELAY; end // default: state <= IDLE; endcase end
初始化指令和數據都放到存儲器中了，數據寫入的SPI串行時序也已經設計成了一個狀態，初始化狀態只需要在復位后將存儲器中的指令或數據通過WRITE狀態發送給液晶屏，程序實現如下：
INIT:begin //初始化狀態 if(cnt_init==3'd4) begin if(cnt==INIT_DEPTH) cnt_init <= 1'b0; else cnt_init <= cnt_init; end else cnt_init <= cnt_init + 1'b1; case(cnt_init) 3'd0: lcd_res <= 1'b0; //復位有效 3'd1: begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end 3'd2: lcd_res <= 1'b1; //復位恢復 3'd3: begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end 3'd4: if(cnt>=INIT_DEPTH) begin //當62條指令及數據發出后，配置完成 cnt <= 16'd0; state <= MAIN; end else begin cnt <= cnt + 16'd1; data_reg <= reg_init[cnt]; if(cnt==16'd0) num_delay <= 16'd50000; //第一條指令需要較長延時 else num_delay <= 16'd50; state <= WRITE; state_back <= INIT; end default: state <= IDLE; endcase end
初始化完成，進入刷屏狀態，刷屏數據寫入前首先進行區域坐標的定位，然后刷寫數據，圖片采用單色顯示，圖片ram中每位數表示一個液晶屏一個像素點的亮還是滅，彩色液晶屏本實驗采用16bit格式，即需要16bit數據決定像素的顏色，16bit數據分兩次發送，最終從ram模塊中獲取的數據每位數據都要轉換成16bit的數據，0轉換成背景色對應的數據，1轉換成頂層色對應的數據，程序實現如下：
SCAN:begin //刷屏狀態，從RAM中讀取數據刷屏
case(cnt_scan)
3'd0: if(cnt >= 11) begin //確定刷屏的區域坐標，這里為全屏
cnt <= 16'd0;
cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1;
end else begin
cnt <= cnt + 16'd1;
data_reg <= reg_setxy[cnt];
num_delay <= 16'd50;
state <= WRITE; state_back <= SCAN;
end
3'd1: begin ram_clk_en<=HIGH;ram_addr<=y_cnt;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end
3'd2: begin cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end //延時一個時鐘
3'd3: begin ram_clk_en<=LOW;ram_data_r<=ram_data;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end
3'd4: begin //每個像素點需要16bit的數據，SPI每次傳8bit，兩次分別傳送高8位和低8位
if(x_cnt>=LCD_W) begin //當一個數據(一行屏幕)寫完后，
x_cnt <= 8'd0;
if(y_cnt>=LCD_H) begin y_cnt <= 8'd0; cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end //如果是最后一行就跳出循環
else begin y_cnt <= y_cnt + 1'b1; cnt_scan <= 3'd1; end //否則跳轉至RAM時鐘使能，循環刷屏
end else begin
if(high_word)
//根據相應bit的狀態判定顯示頂層色或背景色,根據high_word的狀態判定寫高8位或低8位
data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[15:8]:color_b[15:8])};
else begin
data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[7:0]:color_b[7:0])};
x_cnt <= x_cnt + 1'b1;
end //
high_word <= ~high_word; //high_word的狀態翻轉
num_delay <= 16'd50; //設定延時時間
state <= WRITE; //跳轉至WRITE狀態
state_back <= SCAN; //執行完WRITE及DELAY操作后返回SCAN狀態
end
end
3'd5: begin cnt_scan <= 1'b0; state <= MAIN; end
default: state <= IDLE;
endcase
end系統總體實現
液晶屏驅動模塊的數據來源于圖片數據的ram模塊，這些數據由圖片取模得到，使用圖片取模軟件，將圖片載入軟件，輸出數據類型選擇C語言數組，根據液晶屏驅動實際情況配置對應的掃描模式，輸出灰度選擇單色，調整最大寬度和高度符合液晶屏要求，最后點擊保存生成需要的文件。
打開生成的文件，數據格式如下，是C語言的格式
const unsigned char gImage_11[1990] = { 0X10,0X01,0X00,0X80,0X00,0X7C,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0XF8,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X07,0XFF,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,使用編輯器的查找替換功能，將數據處理成下圖格式
132'h00000000000000000000000000000000, 132'h00000000000000000000000000000000, 132'h00000000000000000000000000000000, 132'h0000000000000000F800000000000000, 132'h0000000000000007FF00000000000000,
創建ram模塊，將圖片數據初始化到ram中，程序實現圖下：
module LCD_RAM (input wire [7:0] Address, output reg [131:0] Q); always @ (*) case(Address) 8'd0 : Q = 132'h00000000000000000000000000000000; 8'd1 : Q = 132'h00000000000000000000000000000000; 8'd2 : Q = 132'h00000000000000000000000000000000; 8'd3 : Q = 132'h0000000000000000F800000000000000; 8'd4 : Q = 132'h0000000000000007FF00000000000000;
存儲圖片數據的ram本實驗采用分布式ram搭建，前面波形信號發生器實驗中講過ram IP核的例化及使用方法，有興趣的同學可以自己嘗試一下。
在頂層模塊中，將兩個模塊例化并連接，最終完成圖片顯示系統的總體設計。
實驗步驟
實驗現象
將設計加載到FPGA中，觀察底板液晶屏顯示，小腳丫的Logo被顯示出來了，前面說了1.8寸串行液晶屏支持不同的刷新方向，大家可以調整圖片顯示的方向
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