基于STM32和CPLD的TFT－LCD顯示控制器設計

尤衛衛，冒建亮，葉 樺

（東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096）

1 引 言

液晶顯示器由于其輕薄、便攜、高分辨率等優點已被廣泛應用到生活、工業、軍事等各種場合。TFT－LCD顯示器作為液晶顯示器中一類重要的代表，具有體積小，功耗低，顯示品質優良等諸多優勢，已經成為當前桌面顯示的主流。雖然TFT－LCD顯示效果極佳，但由于控制時序相對復雜，其控制一直是大家研究的重點［1－2］。目前對TFT－LCD的控制方式主要有3種：

（1）使用專用控制芯片，但此方式易受器件斷檔影響，并且不利用技術移植；

（2）使用內置TFT－LCD控制器的STM32，如ARM9等，此方式適用于高端顯示領域，成本較高；

（3）使用FPGA或CPLD進行 TFT－LCD的控制器設計，利用此方式設計靈活性強、可移植性高，且器件性價比高。

比較3種方案，本文選擇靈活性強、可移植性高，且器件性價比高的第三種方案來設計控制器［3］。

2 TFT－LCD顯示控制器的整體架構

圖1為液晶屏顯示系統的系統框圖。其中，主控芯片STM32［4］內部制定了與CPLD間的通訊協議，主要用于實現在LCD上的各類寫操作指令，通過Intel8080總線將待顯示信息傳送給CPLD。作為控制器的核心元件，CPLD主要實現三個模塊的功能［5］：

（1）協議解析模塊：CPLD接收控制器STM32發出的控制指令，實現對8080總線通訊協議的解析，主要包括待寫數據模式，待寫數據坐標以及待寫數據RGB顏色。

（2）SRAM 讀寫控制模塊：CPLD 在 TFTLCD屏顯消隱區間，根據提出的數據坐標及RGB顏色，將相應值寫入SRAM相應地址。在TFTLCD屏顯有效區間時，將上述數據按照時序依次讀出，完成TFT－LCD的顯示驅動。

（3）LCD時序驅動模塊：根據LCD顯示時序，實現液晶屏的顯示驅動。

3 TFT－LCD顯示控制器的設計

3.1 STM32與CPLD間通信協議

STM32內部實現了底層接口函數及上層界面函數，底層接口函數主要實現通訊協議的制定，包括用于界面顯示的各類函數的實現。主要包括：單點寫、多點寫、8點帶背景寫與8點不帶背景寫命令。各命令具體操作如下：

（1）單點寫

單點寫主要是為了實現一些不易繪制的圖形，如圓、三角形等，也可用于顯示完整的圖片。STM32內部根據指定的時序規則，依次發送指令：選擇單點寫模式→待顯示像素點行、列地址→待顯示像素點顏色。

（2）多點寫

多點寫主要用于繪制直線、矩形等，也可用于局部圖形的填充。STM32內部根據指定的時序規則，依次發送指令：選擇多點寫模式→待顯示圖形起始點行、列地址→待顯示圖形長度→待顯示圖形顏色。

（3）8點帶背景寫

主要用于字符的覆蓋顯示，可繪制任意像素為8N×8N的字符。STM32內部根據指定的時序規則，依次發送指令：選擇8點帶背景寫模式→待顯示字符起始行、列地址→待顯示字符前景色→待顯示字符背景色。

（4）8點不帶背景寫

主要用于字符的層疊顯示，可繪制任意像素為8N×8N的字符。STM32內部根據指定的時序規則，依次發送指令：選擇8點不帶背景寫模式→待顯示字符起始行、列地址→待顯示字符前景色。

根據上述4種操作，STM32可以便捷地進行各類圖文的繪制，并將相應的指令傳送給CPLD對通訊數據進行解析，實現TFT－LCD的顯示驅動。

3.2 TFT－LCD顯示驅動設計［6－8］

顯示器的驅動主要由CPLD實現，包括LCD時序驅動、通訊協議解析和SRAM讀寫控制，如圖2所示。CPLD接收控制器STM32發出的控制指令，提取待顯示點的坐標與RGB數據，并在TFT－LCD屏顯消隱區間，將相應數據寫入SRAM相應地址。在TFT－LCD屏顯有效區間時，將相應數據按照時序依次讀出，完成TFTLCD的顯示驅動。

圖2 TFT－LCD顯示驅動框圖Fig.2 Driving chart of TFT－LCD display

3.2.1 通訊協議解析模塊

CPLD對STM32的通訊協議解析，按照先取指令后取數據的方式進行。當STM32發送控制指令時，控制線RS為0，發送數據指令時，控制線RS為1，每發送完對應的指令，發送相應的數據。因此，通過判斷RS由0到1的上升邊沿，此時總線上數據狀態穩定，即可讀取指令至CPLD中的寄存器；同理，當檢測到RS由1到0的下降邊沿時，可以根據接收到的控制指令，將相應的數據存放入對應的寄存器中，進而在TFT－LCD數據寫有效時，進行相應的寫屏操作。

寫屏操作具體指STM32用于圖文繪制的單點寫、多點寫、8點帶背景寫與8點不帶背景寫的驅動程序，采用有限狀態機模式，主要分為兩大類：第一類是輸出只和狀態有關，與輸入無關，即Moore型狀態機；第二類是輸出和輸入、狀態有關，且次態也與輸入和當前狀態有關，即 Mealy型狀態機。本設計中采用的是Mealy型狀態機，各部分對應狀態操作如下：

（1）清屏操作

設定狀態S1：寄存器清零操作；S2：清屏操作。狀態圖如圖3所示。其中，WAddCnt為寫屏操作完成標志。

圖3 清屏操作狀態圖Fig.3 State chart of screen clearing operation

（2）單點寫

設定狀態S1：等待數據穩定；S2：寫單點操作，S3：寄存器清零操作。狀態圖如圖4所示。

圖4 單點寫操作狀態圖Fig.4 State chart of single point writing operation

（3）多點寫

設定狀態S1：等待數據穩定；S2：寫起始點操作；S3：寫剩余長度點操作。狀態圖如圖5所示。其中，MulPotWrCnt為寫計數器，MulPotLength為多點寫長度。

圖5 多點寫操作狀態圖Fig.5 State chart of multipoint writing operation

（4）8點帶背景寫

設定狀態S1：等待數據穩定；S2：寫起始點操作；S3：寫其余7點操作。狀態圖如圖6所示。其中，MulPotWrCnt為寫計數器；狀態S2和狀態S3中，對字模數據的操作為：0寫背景色，1寫前景色。

圖6 8點帶背景寫狀態圖Fig.6 State chart of 8points with background writing operation

（5）8點不帶背景寫

設定狀態S1：等待數據穩定；S2：寫起始有效點操作；S3：無效點計數清零操作；S4：寫其余有效點操作。狀態圖如圖7所示。其中，8Addr［7］為字模最高位，每個時鐘周期左移1位；8AddrCnt為單字模中兩有效點間無效點計數器；MulPotWrCnt為寫計數器，8AddrWrCnt為單字模中無效點總計數器。對字模數據的操作為：0為無效點，1為有效點，此時寫背景色。

圖7 8點不帶背景寫狀態圖Fig.7 State chart of 8points without background writing operation

3.2.2 SRAM 讀寫控制模塊

外部緩存SRAM的主要作用是將STM32發送的圖文數據進行緩存，以便在TFT－LCD顯示有效區間，CPLD可按照一定的時序從SRAM中依次讀出。對于SRAM，通過設定與的高低，將芯片的16位數據線分高8位和低8位存儲RGB顏色數據，以滿足存儲像素點640×480的需求，即將整屏數據分為上半屏（0～239行）、下半屏（240～479行）存儲，每半屏地址一樣，地址數為640×240。當接收到顯示像素點為上半屏數據時，設定＝0＝1，數據存儲于低8位，當接收到顯示像素點為下半屏數據時，設定＝1＝0，數據存儲于高8位。

3.2.3 LCD時序驅動模塊

LCD驅動程序流程圖如圖8所示。通過行、場計數器，產生TFT－LCD控制所需的行、場同步信號、像素時鐘，同時產生RGB數據讀寫有效位，即在RGB數據讀有效時，按照時序依次從SRAM中讀取存儲的數值，在RGB數據寫有效時，CPLD根據數據傳輸指令協議，接收并解析STM32給定的TFT－LCD上各坐標點待顯示的圖像數據。

圖8 LCD驅動模塊流程圖Fig.8 Flow chart of LCD driving module

4 仿真結果討論

本節利用 Quartus II［9］軟件仿真功能，對LCD時序和SRAM讀寫功能進行仿真。

4.1 LCD時序驅動仿真

如圖9為LCD時序仿真圖，其中，LCD＿HS是行同步信號，LCD＿VS是場同步信號，可以看出，當場計數器Vcnt達到524時，意味著一場掃描完，LCD＿VS發生反轉，進入場消隱，同時新的一場同步信號隨后到來。

圖9 LCD時序仿真圖Fig.9 Simulation chart of LCD timing

4.2 SRAM 讀寫仿真［10］

SRAM讀寫控制信號由TFT－LCD顯示有效與消隱區間決定，設定RCnt和 WCnt分別為SRAM讀、寫狀態的地址、數據判斷標志位。

圖10 SRAM讀時序仿真圖Fig.10 Simulation chart of SRAM reading

如圖11，當WE為低時，SRAM進行寫操作。此時，在WCnt為高電平時，給定待寫像素點地址，WCnt為低電平時，同樣經過20ns時延后寫相應地址數據。同時，在SRAM在讀操作時，行地址從0～639，當讀操作結束并轉入寫操作時，行地址清0，場地址加1，可見仿真結果的正確性。

圖11 SRAM寫時序仿真圖Fig.11 Simulation chart of SRAM writing

圖12是對TFT－LCD半場信號掃描仿真的結果。在TFT－LCD的行掃描中，有一段消隱區間與有效區間；在消隱區間，可以對SRAM進行數據寫操作，在有效區間，按照行地址計數0～639依次輸出信號。每行掃描結束后，場地址加1，當場地址到達239時，即TFT－LCD半場掃描結束，接下來以同樣的地址進行下半場的掃描。

圖12 半場掃描完仿真圖Fig.12 Simulation chart of half－court scanning finished

4.3 實現結果

通過采用本文設計方法，實現的設計實物效果如圖13所示。

圖13 設計實物圖Fig.13 Chart of design entity

5 結 論

本文介紹了基于STM32和CPLD的TFTLCD顯示控制器的設計方法。TFT－LCD模塊采用的是不帶LCD控制器的群創AT056TN52－5.6in（1in＝2.54cm）TFTLCD。在設計控制器時，采用的是Altera公司的 MAX II系列的 CPLD（EPM570）作為核心部件，以ISSI公司的IS61LV25616大容量SRAM作為顯示緩沖存儲器。測試結果表明，本文設計的控制器相對市場上TFT－LCD的專用控制芯片工作穩定可靠，性價比高。在很多場合具有一定的實用價值。

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