基于FPGA及NiosII軟核處理器的TFT-LCD接口設計

　　4主要電路的設計

　　4.1時序發(fā)生電路的設計

　　時序發(fā)生電路是設計的主要部分。首先，是對系統(tǒng)輸入時鐘進行頻率變換， FPGA(EP1C6)的內部有兩個 PLL電路模塊，本文用其中的一個來生成 100MHz的時鐘。再設計一個 12位的計數(shù)器(行計數(shù)器)，計數(shù) 3200脈沖，產生 TFT_LCD的行同步時鐘，通過此計數(shù)器的計數(shù)還可生成 TFT_LCD的顯示使能信號(DE)。此計數(shù)器的輸出還是 TFT_LCD讀顯示緩存 RAM地址的低 8位(RAM以 32位數(shù)據(jù)寬度計算)。另設計一個 9位的計數(shù)器(場計數(shù)器)，用其對行同步信號計數(shù)又可生成 TFT_LCD場同步的相關信號，同時此計數(shù)器的輸出可作為 TFT_LCD讀 RAM地址的高 9位。

　　由于嵌入式 CPU與 TFT_LCD是復用一片顯示緩存 RAM，所以要對顯示緩存 RAM在時間上進行分時控制。由于 IDT71V547是 32位數(shù)據(jù)寬度的 RAM，如果將 TFT_LCD設計成256色顯示，則讀顯示緩存 RAM一次可顯示 4個像素點。所以把行計數(shù)器輸出的 25MHz時鐘作為基準(TFT_LCD主時鐘)、以 25MHz的 4個周期(T0、T1、T2、T3，T0=T1=T2=T3=40納秒)為基本循環(huán)，在 25MHz的第一個周期( T0)由 LCD占用產生“ LCD_讀選通”信號， (LCD_讀選通= (/12.5MHz)&(/6.25MHz) )。T1-T3由 CPU占用，在 T1-T3周期內產生相應的選通信號， (T1=(12.5MHz)&(/6.25MHz)、 T2=(/12.5MHz)&(6.25MHz)、T3=(12.5MHz)&(6.25MHz))，由于 CPU什么時間對顯示緩存 RAM讀寫是不確定的，所以要根據(jù) CPU的讀寫信號來確定 T1-T3哪個為“CPU_RAM_選通”信號(如果在 T0內來 CPU_RW則 CPU_RAM_選通=T2、T1來 CPU_RW則為 T3、T2來 CPU_RW則為 T3、T3來 CPU_RW則為 T1)。此邏輯的實現(xiàn)方式是，在 CPU_RW信號產生時鎖存住當時的 T0-T3的狀態(tài)由此來控制“CPU_RAM_選通”產生的位置。在具體時序見圖 2所示。

　　4.2地址切換和數(shù)據(jù)分離電路的設計

　　圖 3是地址切換電路中的一位，以這一位為示例 ,可推出 17位地址全部電路。在圖 3中 RAM_ADD=((LCD_ADD&LCD_選通)+(CPU_ADD&CPU_RAM_選通))且 “LCD_讀選通”信號與“ CPU_RAM_選通”信號在任何時刻最多只能有一個是有效的，所以當“ LCD_讀選通”信號與“ CPU_RAM_選通”生效時可將 RAM_ADD切換到相應的地址線上。如當某時刻“ LCD_讀選通”信號與“ CPU_RAM_選通”全無效則 RAM_ADD輸出應全為“ 0”。

　　圖4是數(shù)據(jù)分離電路中的一位，同樣 ,以圖 4這一位可推出 32位數(shù)據(jù)線。

　　在圖 4中，RAM_R_W= (CPU_RAM_選通)&(CPU_WD),當 RAM_R_W有效時， CPU_寫 DATA可通過三態(tài)門輸出到 RAM_DATA上。當 CPU讀 RAM時，RAM的數(shù)據(jù)由門電路輸出到鎖存器的輸入端，在數(shù)據(jù)穩(wěn)定后由“ CPU_R_鎖存”信號將數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器上等待 CPU將數(shù)據(jù)讀走(CPU_R_鎖存=(( / CPU_RD)& CPU_RAM_選通&25MHz&(/50MHz)))。

　　同樣的在 T0周期內將 RAM的相應數(shù)據(jù)由“ LCD_鎖存”信號將 32位的數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器上。在相應的 T0-T3周期由 T0-T3選擇相應的 8位數(shù)據(jù)輸出到調色電路上，在相應時刻由 “LCD_調色輸出鎖存”信號將此像素點數(shù)據(jù)鎖存，由 TFT_LCD讀取此點的三基色數(shù)據(jù)并顯示。

　　4.3調色電路

　　調色電路實際為利用 FPGA內部的片內 RAM，由 Quartus 軟件生成的 24位 256字節(jié)的 RAM或 ROM，RAM或 ROM的地址線接 LCD數(shù)據(jù)鎖存器的輸出端后的數(shù)據(jù)選擇電路，數(shù)據(jù)選擇電路是將 32位的數(shù)據(jù)，按 T0-T3所決定的時間，選擇相應的 8位數(shù)據(jù)。當 T0時選 D[24]-D[31]、當 T1時選 D[0]-D[7]、當 T2時選 D[8]-D[15]、當 T3時選 D[15]-D[23]。之所以將數(shù)據(jù)選擇設計成 T0時選 D[24]-D[31]，是因為 TFT_LCD讀顯示緩存 RAM時，是在 T0周期的末端才能將新數(shù)據(jù)鎖存到“ LCD-讀 DATA”端，新的數(shù)據(jù)只有在 T1周期才能開始顯示。調色電路的輸出是 3*8=24bit的本文所用的 TFT_LCD是 3*6bit的所以只用相應 8bit的低 6bit。如果將調色電路設計選擇 RAM型時，可以由 CPU改寫調色電路 RAM，使色彩顯示更加豐富。

　　4.4顯示緩存設計

　　顯示緩存 RAM的選擇由 LCD顯示彩色多少決定的，如果顯示 16色可以選擇每像素點占 4bit，這樣每讀一次 RAM可顯示 8個像素點。以此類推來選擇顯示緩存 RAM的大小和相應修改時序發(fā)生電路的周期。對 CPU的顯示緩存 RAM口的設置時，一定要注意顯示緩存 RAM的 CPU讀寫周期與時序發(fā)生電路的周期相一致，否則會發(fā)生讀寫錯誤。本例設置的是 160納秒( T0+T1+T2+T3=160ns)[3,4]。

　　5 結束語

　　本文介紹了一種基于 FPGA及 NiosII軟核處理器與 TFT-LCD接口的主要部分的設計要點，該設計內容已經(jīng)在實際電路上得到驗證，并在一些儀器的顯示系統(tǒng)上得到應用。