基于FPGA和VHDL的LCD控制器設計

徐宏祥，亓愛國，尹冀波，耿 爽，張春宇

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032)

1 引言

液晶顯示器(LCD)由于具有低壓、微功耗、顯示信息量大、體積小等特點，在移動通信終端、便攜計算機、GPS衛星定位系統等領域有廣泛用途，成為使用量最大的顯示器件。液晶顯示控制器作為液晶驅動電路的核心部件通常由集成電路組成，通過為液晶顯示系統提供時序信號和顯示數據來實現液晶顯示。本設計是一種基于FPGA(現場可編程門陣列)的液晶顯示控制器。與集成電路控制器相比，FPGA更加靈活，可以針對不同的液晶顯示模塊更改時序信號和顯示數據。FPGA的集成度、復雜度和面積優勢使得其日益成為一種頗具吸引力的高性價比ASIC替代方案。為此提出了將液晶顯示器的控制轉換到FPGA來完成的設計理念，利用VHDL硬件描述語言設計LCD控制器，實現了替代專用集成電路驅動控制LCD的作用。

2 硬件設計

設計主要以Xilinx公司的Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S100E和廣東金鵬電子公司的OCMJ4×8C液晶圖文顯示器為主要器件來完成。FPGA的結構與傳統門陣列相似。器件中大量的可編程邏輯塊(CLB，Configurable Logic Block)在芯片中央按矩陣排列，芯片四周為可編程輸入/輸出塊(IOB，Input/Output Block)，CLB行列之間及CLB和IOB之間具有可編程的互連資源(ICR，Inter Connect Resource)。CLB、IOB和ICR都由分布在芯片中的SRAM靜態存儲單元來控制，SRAM中的數據可決定FPGA的功能。這些數據可以在系統加電時自動或由命令控制從外部存儲器載入。本設計實現的LCD控制器硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 LCD 控制器硬件結構框圖

3 OCMJ4×8C液晶圖文顯示器

采用了廣東金鵬電子公司的OCMJ4×8C液晶圖文顯示器。OCMJ4×8C模塊內含GB 2312 16×16點陣國標一級簡體漢字和ASCII 8×8點陣英文字庫，輸入區位碼或ASCII碼即可實現文本顯示。它同時為用戶提供位點陣和字節點陣兩種圖形顯示功能，用戶可以在指定的屏幕位置上以位為單位或以字節為單位進行圖形顯示。OCMJ4×8C模塊顯示屏幕點陣為128×64，每行可顯示8個漢字或16個字符，其屏幕顯示坐標關系如圖2所示。其中，漢字坐標X=02H至09H，Y=00至03，ASCII碼坐標X=04H至13H，Y=00至03。

圖2 OCMJ4×8液晶顯示器屏幕顯示坐標關系

OCMJ4×8C液晶顯示模塊引腳功能說明如表1所示。

表1 OCMJ4×8C液晶顯示模塊引腳功能說明

LEDA/LEDK為背光源引腳，由用戶接上相應的電阻調整LCD背光亮度，電阻阻值一般在10～30Ω之間。

4 液晶控制邏輯電路設計

液晶顯示的控制邏輯可由FPGA產生，主要包括初始化模塊、時鐘模塊、寫數據模塊以及讀/寫控制等幾部分。

4.1 初始化模塊

液晶在上電過程中，一般都需要用軟件來初始化。在整個初始化過程中，數據都被送入到指令寄存器中。由于液晶的指令和數據線是公用的(可利用RS引腳來進行選擇，高電平選擇數據寄存器，低電平選擇指令寄存器)。所以，初始化時應該將RS置為低電平。下面是OCMJ4×8C液晶顯示模塊的初始化流程:

(1)上電完成以后，進行功能設置，送數據“00110000”，延時2ms;

(2)關閉液晶顯示，送數據“00001000”，延時2ms;

(3)打開液晶顯示，送數據“00001100”，延時2ms;

(4)清屏，送數據“00000001”，延時2ms;(5)設定輸入方式，送數據“00000110”。

這樣，對液晶的初始化便宣告完成。下面是其部分VHDL程序:

4.2 寫數據模塊

液晶初始化完成以后，便可以寫入數據。寫入數據時，首先要選擇數據寄存器，其次是送入要寫數據的地址，最后再送入數據。由于數據是在使能信號E上升沿的時候送入，但是在使能信號E下降沿的時候才執行，所以，送完地址以后要在確定使能信號E為下降沿以后，才能繼續送入數據。否則，數據就會被沖掉。數據寫入的工作時序如圖3所示。

圖3 寫數據時序

寫數據過程的部分VHDL程序如下:

5 結束語

利用硬件描述語言VHDL設計LCD控制器的方法，具有減小電路板尺寸、易于集成到片上系統、縮小系統體積、方便修改、適應不同液晶顯示器等特點，具有很好的可重用性;同時也是后續開發其他種類液晶顯示控制器的基礎。

在Xilinx的FPGA應用開發系統中，已經成功地利用本設計完成了系統中所需要的LCD顯示功能。實際使用證明，本設計為嵌入式應用系統的人機界面中的LCD控制驅動與接口設計提供了一種可靠而實用的方案。表明該液晶顯示控制器成功地替代了傳統的ASIC液晶控制器，具有良好的應用前景。

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