基于Nios在液晶屏和觸摸屏顯示實驗
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1. 實驗內(nèi)容
通過本實驗了解觸摸屏的觸摸原理和顯示原理，能夠在液晶屏上開發(fā)應(yīng)用。
本實驗要求：
1. 將存儲在Flash中的一幅圖像顯示在液晶屏上。
2. 將用戶在觸摸屏上觸摸的坐標顯示在8段數(shù)碼管上。
2. 實驗原理
2.1 液晶屏的基本原理
液晶顯示是目前最常用的顯示方式，無論是簡單的黑白顯示還是高清晰度的數(shù)字電視，大量使用了液晶顯示。液晶屏的基本物理原理是：液晶分子在不通電時排列混亂，阻止光線通過；當液晶上加一定電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，從而可以在液晶陣列上顯示不同的圖形。
本實驗使用的液晶屏分辨率為400×240，其控制芯片為ILI9326。對于液晶屏顯示的操作主要體現(xiàn)在對控制芯片ILI9326的操作上。
對ILI9326進行的操作可以分為讀、寫兩種操作，本實驗中主要用到寫操作，在此簡要介紹FPGA如何向ILI9326進行寫操作。具體到寫操作又可以分為兩種操作模式：第一是對芯片ILI9326中寄存器的設(shè)置操作，第二是對ILI9326中存儲像素值的GRAM的操作。本實驗使用的液晶屏分辨率為400×240，一共有96000個像素點，而每一個像素點對應(yīng)于一位16位寬的GRAM，也就是說通過控制ILI9326內(nèi)部的GRAM即可以控制液晶屏的顯示內(nèi)容。
對ILI9326中控制寄存器的設(shè)置操作時序為：首先輸出寄存器的編號，然后輸出要向該寄存器寫入的數(shù)據(jù)，其時序如圖 20-1所示。在nWR的上升沿和RS信號為低時FPGA向從設(shè)備ILI9326送出寄存器的編號，而在下一個nWR的上升沿和RS信號為高時FPGA輸出要寫入數(shù)據(jù)。
圖20-1 設(shè)置控制寄存器時
對ILI9326中GRAM的寫操作時序為：首先在nWR的上升沿和RS為低電平的時FPGA向ILI9326發(fā)送0202h，然后在nWR的上升沿和RS為高電平期間FPGA逐次向ILI9326發(fā)送需要顯示的圖像像素數(shù)據(jù)（圖 20 2）。在每寫完一個圖像像素數(shù)據(jù)后，ILI9326內(nèi)部的計數(shù)器會自動加一，使下一個寫入的數(shù)據(jù)對于下一個像素，以此類推達到控制液晶屏顯示內(nèi)容的目的。
圖20-2 寫入需要顯示的圖像信號
2.2 觸摸屏的基本原理
觸摸屏（Touch panel）是可以接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式顯示裝置，當觸頭接觸了屏幕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)就可以感應(yīng)到觸頭接觸的位置。
從技術(shù)原理上，觸摸屏可以分為五類：矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏、電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏。其中矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏已退出歷史舞臺；紅外線技術(shù)觸摸屏價格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)生光干擾，曲面情況下失真；電容技術(shù)觸摸屏設(shè)計構(gòu)思合理，但其圖像失真問題很難得到根本解決；電阻技術(shù)觸摸屏的定位準確，但其價格頗高，且怕刮易損；表面聲波觸摸屏解決了以往觸摸屏的各種缺陷，清晰不容易被損壞，適于各種場合，缺點是屏幕表面如果有水滴和塵土?xí)褂|摸屏變的遲鈍，甚至不工作。按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為四種，它們分別為電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式。每一類觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點，要了解那種觸摸屏適用的場合，關(guān)鍵就在于要理解每一類觸摸屏技術(shù)的工作原理和特點。下面對實際中應(yīng)用較多的電容和電阻式觸摸屏進行簡要介紹一下。
電容技術(shù)觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進行工作的。電容式觸摸屏是是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO（氧化銦），最外層是一薄層矽土玻璃保護層,夾層ITO涂層作為工作面，四個角上引出四個電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。 當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成以一個耦合電容，對于高頻電流，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。
這種觸摸屏利用壓力感應(yīng)進行控制。電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復(fù)合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬（透明的導(dǎo)電電阻）導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層、它的內(nèi)表面也涂有一層涂層、在他們之間有許多細小的（小于1/1000英寸）的透明隔離點把兩層導(dǎo)電層隔開絕緣。 當手指觸摸屏幕時，兩層導(dǎo)電層在觸摸點位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器?？刂破鱾蓽y到這一接觸并計算出（X，Y）的位置。
而本實驗中使用的TSC2046是一種典型的電阻式觸摸屏，其采用的是逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC），包含了采樣/保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù) 輸出等功能。同時芯片集成有一個2.5V的內(nèi)部參考電壓源、溫度檢測電路，工作時使用外部時鐘。TSC2046可以單電源供電，電源電壓范圍為 2.7V～5.5V。參考電壓值直接決定ADC 的輸入范圍，參考電壓可以使用內(nèi)部參考電壓，也可以從外部直接輸入1V～VCC 范圍內(nèi)的參考電壓（要求外部參考電壓源輸出阻抗低）。X、Y、Z、VBAT、Temp和 AUX模擬信號經(jīng)過片內(nèi)的控制寄存器選擇后進入ADC，ADC可以配置為單端或差分模式。選擇VBAT、Temp和AUX時應(yīng)該配置為單端模式；作為觸摸屏應(yīng)用時，應(yīng)該配置為差分模式，這可有效消除由于驅(qū)動開關(guān)的寄生電阻及外部的干擾帶來的測量誤差，提高轉(zhuǎn)換精度。
其基本控制方式為：
首先通過SSI串行接口向TSC2046發(fā)送8位控制字（DIN），設(shè)置需要數(shù)模轉(zhuǎn)換的信號（X、Y、Z、VBAT、Temp和 AUX等）和精度等，延時一個時鐘周期后可以通過SSI接口讀取相應(yīng)的模擬信號數(shù)字化后的數(shù)數(shù)值，具體時序如圖20-3所示。
發(fā)送給TSC2046的8位控制字的設(shè)置方式可以根據(jù)具體情況進行選擇。通過8位控制字可以選擇ADC的分辨率，即選擇是8位分辨率還是12位分辨率。當設(shè)置為12位分辨率時得SSI數(shù)字接口如圖20-3所示，而8位分辨率的傳輸時序基本類似。
圖20-3 SSI數(shù)字接口時序
3. 程序設(shè)計
3.1 總體架構(gòu)
整個程序有5個模塊構(gòu)成，如圖 20 4所示： 1. TFT是頂層模塊，實例化各子模塊并連接各子模塊。 2. ping模塊主要負責(zé)液晶屏的控制與顯示。 3. touch模塊負責(zé)控制和讀取觸摸屏上面的坐標值。 4. data2disp模塊負責(zé)輸入鍵值的譯碼，因為要分別對X坐標和Y坐標進行譯碼，而每一個坐標均需要2個七段數(shù)碼管，所以程序中使用了4個data_2_disp模塊。 5. U1模塊是PLL模塊，產(chǎn)生屏幕顯示所需要的10MHz和5MHz的時鐘。
圖20-4 程序總體架構(gòu)
3.2 液晶顯示模塊ping (ping.v)
Ping模塊的基本思路為：首先對顯示控制芯片ILI9326進行初始設(shè)置，然后將存儲在Flash內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)寫入ILI9326中，將圖像顯示在液晶屏上。
該程序的接口主要分為兩個部分，一部分是液晶屏接口部分，另一部分是Flash接口部分。 Ping模塊的接口如下：
iRst //全局異步復(fù)位iClk50 //全局時鐘 50Mhz//液晶屏接口oRst //液晶屏異步復(fù)位oCs_TFT //液晶屏片選信號，低電平有效，只有在片選信號有效時，//才能對液晶屏進行操作oRs //在對液晶屏控制芯片進行配置期間，該信號用于區(qū)分數(shù)據(jù)線上是寄//存器編號還是要向該寄存器寫入的數(shù)據(jù)oWr //操作液晶屏控制芯片的時鐘信號，上升沿有效oData //16位寬的數(shù)據(jù)線 //Flash接口FL_DQ //Flash 數(shù)據(jù)接口FL_CE_N //Flash片選信號FL_ADDR //Flash地址信號FL_OE_N //Flash輸出使能FL_WE_N //Flash輸入使能FL_RST_N //Flash復(fù)位FL_RY_BY //Flash忙指示信號
Ping模塊中的主要狀態(tài)機為State，state的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 20 5所示。
圖20-5 ping模塊內(nèi)的State狀態(tài)機
狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)主要由計數(shù)器counter來進行控制。在counter的不同數(shù)值對應(yīng)不同時間整個程序進入不同狀態(tài)，具體跳轉(zhuǎn)條件見程序。
程序一共有3個狀態(tài)：WAIT、CONFIG和WRITEDATA：
WAIT狀態(tài)：有兩個可能程序處于WAIT狀態(tài)時間，第一是上電后需要延時，因為液晶屏點亮等操作需要對電容等充電，在上電后程序出WAIT狀態(tài)等待系統(tǒng)充電穩(wěn)定。第二就是在配置ILI9326周期內(nèi)，如果某些配置后同樣需要ILI9326穩(wěn)定一段時間后才能接著向下配置，此時程序也需要進入WAIT狀態(tài)。
CONFIG狀態(tài)：當程序處于CONFIG狀態(tài)，程序從保存配置文件的內(nèi)部ROM中讀取配置數(shù)據(jù)，對ILI9326進行配置。配置內(nèi)容參看文件displayData.hex。
WRITEDATA狀態(tài)：主要是在配置完成后，從FLASH內(nèi)讀取待顯示的數(shù)據(jù)寫入ILI9326的GRAM內(nèi)，控制液晶屏的顯示內(nèi)容。完成顯示數(shù)據(jù)的讀寫后，程序進入WAIT，直至手動復(fù)位。具體程序如下所示：
always@(posedge clk_sys) beginif(counter<=start_size + 1000) begin
State <= WAIT; //在start_size + 1000個時鐘周期內(nèi)，為上電延時
color <= 1'b0;
end
else if(
((start_size + 1000<counter)&(counter<=start_size + 1008))
|
((start_size + 1108<counter)&(counter<=start_size + 1150))
|
((start_size + 2150<counter)&(counter<=start_size + 2182))
|
((start_size + 3182<counter)&(counter<=start_size + 3184))
|
((start_size + 4184<counter)&(counter<=start_size + 4189))
) //Write_Register(0x00, 0x00000);
beginState <= CONFIG; //在start_size + 1000到start_size + 4190時鐘周//期內(nèi)狀態(tài)在不停在WAIT和CONFIG之間跳轉(zhuǎn)
//而在處于CONFIG狀態(tài)時間，程序?qū)σ壕吝M//行配置color <= 1'b0;
end
else if(
((start_size + 1008<counter)&(counter<=start_size + 1208))
|
((start_size + 1150<counter)&(counter<=start_size + 2150))
|
((start_size + 2182<counter)&(counter<=start_size + 3182))
|
((start_size + 3184<counter)&(counter<=start_size + 3184))
) //delayms(20);//{time, 0010, ms);
beginState <= WAIT; //在start_size + 1000到start_size + 4190時鐘周//期內(nèi)狀態(tài)在不停在WAIT和CONFIG之間跳轉(zhuǎn)
//而在處于WAIT狀態(tài)時間，程序在等待液晶屏//的延時動作。
color <= 1'b0;
end
else if( (counter > start_size + 4190) & (counter<All_Size)) beginState <= WRITEDATA;//在此期間程序從FLASH內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，//GRAM內(nèi)寫入數(shù)據(jù)color <= 1'b1;
end
else begin
State <= WAIT;//進入最后的休眠狀態(tài)。
color <= 1'b0;
endend
end
end
當處于CONFIG狀態(tài)時，程序從內(nèi)部ROM（registerData）存儲器中讀取出配置文件，該ROM地址生成程序如下所示：always@(negedge clk_sys or negedge oRst)begin
if(!oRst)
address <= 7'b0;
else if(State == CONFIG)//處于CONFIG狀態(tài)，ROM地址自動增加
address <= address + 1'b1;
else
address <= address; end
Flash接口時序控制程序如下所示：assign FL_WE_N = 1'b1; //實驗僅僅需要讀取Flash，所以該信號一直拉高assign FL_RST_N = iRst; //Flash復(fù)位信號assign FL_CE_N = 1'b0; //片選信號總是有些assign FL_OE_N = 1'b0; //讀輸出總是有效
而當程序處于WRITEDATA狀態(tài)，也就是讀取存儲在FLASH內(nèi)部的圖像數(shù)據(jù)向TFT屏寫入的狀態(tài)時，其FLASH地址需要不斷增加，程序如下所示：always@(negedge flashclk or negedge oRst) begin //生成Flash地址信號
if(!oRst) begin
FL_ADDR <= 25'b0;
end
else begin if(color_d == 1'b1) // color_d 為color的一個時鐘延時，而color在WRITEDATA//狀態(tài)被拉低，也就是程序處于WRITEDATA狀態(tài)時//Flash地址自動增加begin FL_ADDR <= FL_ADDR + 1'b1;
end
else
FL_ADDR <= FL_ADDR;
endend reg [7:0] FL_DQ_d;always@(negedge flashclk or negedge oRst) begin //讀取Flash信號
if(!oRst) begin
FL_DQ_d <= 8'b0;
end
else
FL_DQ_d <= FL_DQ;end
程序中有一點時序需要注意，那就是GRAM位寬為16位，而Flash的位寬為8位，所以讀取Flash的時鐘需要是寫入GRAM的時鐘速率的兩倍。將讀取出來的兩個8位Flash數(shù)據(jù)合并寫入GRAM內(nèi)。
其對應(yīng)的時鐘信號生成程序如下所示：
//分頻以產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘wire clk_sys;//5MHz wire flashclk;//10MHz
Pll U1(.inclk0(iClk50),
.c0(flashclk),
.c1(clk_sys));
3.3 觸摸屏touch模塊（touch.v）
觸摸屏touch模塊檢測觸點坐標的基本原理是：等待觸摸屏送出IRQ終端信號，在檢測到終端信號后，向觸摸屏控制芯片TSC2046寫入控制字，在寫入控制字后通過SSI接口讀取相應(yīng)觸點的x、y坐標位置，并將坐標位置顯示在7段數(shù)碼管上。
觸摸屏主要有六個信號：CS、DCLK、DIN、BUSY、DOUT和IRQ，在檢測到中斷IRQ后，通過DOUT輸出控制字，然后通過DIN接收坐標位置；CS為片選信號，DCLK為訪問時鐘；在輸出控制字后，觸摸屏置BUSY為高一個時鐘周期，表示觸摸屏正忙。 觸摸屏模塊touch的數(shù)據(jù)流如圖20-6所示。
圖20-6 觸摸屏程序框圖
Ping模塊的接口分兩部分：一部分是與觸摸屏控制芯片的接口，一部分是與顯示坐標數(shù)據(jù)的8段數(shù)碼管接口。與觸摸屏的接口如下：
input IRQ; //觸摸屏產(chǎn)生的中斷信號，有觸摸時IRQ為低。input iBusy; //觸摸屏工作中指示信號，為高時表示觸摸屏忙。input Din; //從觸摸屏輸入到FPGA的坐標位置數(shù)據(jù)。output Dclk; //接口時鐘。output Dout; //FPGA向觸摸屏發(fā)送的控制信號。output oCs; //觸摸屏片選信號。與顯示坐標數(shù)據(jù)的7段數(shù)碼管有關(guān)的引腳如下：
output [7:0]HEX_sel; //七段數(shù)碼管片選信號線。output [7:0]HEX_seg; //數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)。
Touch模塊主要受狀態(tài)機State控制，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 20-7所示。
圖20-7 觸摸屏程序狀態(tài)機
State有XCONFIG、XDATA、YCONFIG和YDATA4個狀態(tài)：
X_CONFIG狀態(tài)：對TSC2046進行設(shè)置，以測試X方向的坐標。
X_DATA狀態(tài)：讀取TSC2046送來的X方向坐標值。
Y_CONFIG狀態(tài)：對TSC2046進行設(shè)置，以測試Y方向的坐標。
Y_DATA狀態(tài)：讀取TSC2046送來的Y方向坐標值。
狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移由計數(shù)器counter來進行控制。在初始時，State處于Y_DATA，而當IRQ被拉低期間，counter每個時鐘自動增加，從而驅(qū)動狀態(tài)機發(fā)生跳轉(zhuǎn)以讀取x、y坐標，并將坐標顯示在八段數(shù)碼管上。當觸摸屏受到觸發(fā)時IRQ信號被拉低，一般情況下拉低的周期足夠完成狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)（因為FPGA運轉(zhuǎn)很快，而人的操作則相對緩慢），完成坐標位置的讀寫。具體程序如下：
reg [2:0] state;
reg [11:0] counter;
always@(negedge Dclk or negedge iRst) begin
if(!iRst)
counter <= 12'b0;
else beginif(IRQ==1'b1)
counter <= 12'b0;
else //在IRQ為低時，表示有觸摸，counter開始工作。
counter <= counter + 1'b1;
end
end always@(posedge Dclk or negedge iRst) begin
if(!iRst) begin
state <= Y_DATA;
end
else begin
if((counter>=3000) && (counter < 3008))
state <= X_CONFIG; //發(fā)送命令：讀取x坐標值
else if((counter >=3008) && (counter <3024))
state <= X_DATA; //讀取x坐標值
else if((counter >=3024) && (counter <3032))
state <= Y_CONFIG; //發(fā)送命令：讀取y坐標值
else
state <= Y_DATA; //讀取y坐標值
endend
需要說明的是，因為該接口時鐘為百K量級，所以觸摸屏程序的時鐘是通過內(nèi)部觸發(fā)器產(chǎn)生，沒有統(tǒng)一到整個系統(tǒng)時鐘域內(nèi)。
4. 運行結(jié)果
從SignalTap中觀測觸摸屏程序中讀取坐標值的信號如圖 20 8所示，其中在XCONFIG、XDATA、YCONFIG、和YDATA 有效期間，Din和Dout在Dclk時鐘控制下對TSC2046進行配置和讀取。其中在XCONFIG有效期間程序向TSC2046發(fā)送的數(shù)據(jù)為8'b00011011，而在YCONFIG有效時程序向TSC2046發(fā)送的數(shù)據(jù)為8' b00011001。
圖20-8 運行結(jié)果
5. 演示程序文件說明
| 文件名 | 功能 |
| TFT.v | 頂層模塊。 |
| ping.v | 液晶屏控制模塊。 |
| touch.v | 控制和讀取觸摸屏上面的坐標值。 |
| data_2_display.v | 顯示觸點坐標。 |
| displayData.hex | 該文件存儲液晶屏芯片ILI9326的配置數(shù)據(jù)， 16位寬，奇數(shù)地址存儲ILI9326的寄存器地址，偶數(shù)地址存儲待向該地址寫入配置數(shù)據(jù)。 |
6. 演示程序使用
演示設(shè)備：核心板、擴展板。
演示方法：首先需要用Nios將圖像“tft屏顯示圖像.bmp”燒到Flash中，起始地址為0x0。然后把程序下載到開發(fā)板上之后，液晶屏上將顯示燒入的圖像。如果FLASH內(nèi)沒有燒入圖像，液晶屏上將液晶花屏。用手指觸摸液晶屏，可以看到在8段數(shù)碼上顯示當前觸點的坐標值。
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