基于SOPC 的觸控屏控制器IP核設(shè)計(jì)

可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它設(shè)計(jì)方式靈活，具備軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。SOPC 在設(shè)計(jì)上以集成電路IP 核為基礎(chǔ)，而自行開(kāi)發(fā)的SOPC IP 核，根據(jù)實(shí)際硬件資源和功能任務(wù)需求來(lái)定制顯示控制功能，可以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性，降低了成本。目前針對(duì)LCD顯示設(shè)計(jì)的控制器IP 核文章較多[1-2],但對(duì)于TFT-LCD 觸控屏設(shè)計(jì)的控制器IP 核文章較少[3],而且這類(lèi)文章中很少見(jiàn)對(duì)控制器各個(gè)模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證內(nèi)容。

　　文中提出一種針對(duì)TFT-LCD 觸控屏控制器IP 核的設(shè)計(jì)方法。該控制器具有Avalon 總線(xiàn)接口，與其他標(biāo)準(zhǔn)IP 核一起構(gòu)成以NiosⅡ?yàn)楹诵牡钠舷到y(tǒng)。針對(duì)本設(shè)計(jì)中觸控屏幀緩存讀操作的特點(diǎn)，選擇以Avalon 主端口接口的形式對(duì)模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，大大提高了處理器運(yùn)行效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了觸控屏控制器IP 核的參數(shù)化設(shè)計(jì)， 提高了控制器對(duì)于不同LCD 屏的可復(fù)用性，最后通過(guò)對(duì)輸出緩沖FIFO 的使用，解決了數(shù)據(jù)讀出時(shí)鐘與像素時(shí)鐘不同步問(wèn)題。

　　1 觸控屏控制器總體結(jié)構(gòu)

　　在SDRAM 中開(kāi)辟一段儲(chǔ)存空間， 用來(lái)存放屏幕圖像數(shù)據(jù)，稱(chēng)之為幀緩存。通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)挠布壿媮?lái)建立幀緩存與屏幕圖像像素之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并配合觸控屏顯示所必需的行、場(chǎng)時(shí)序信號(hào)，將幀緩存中的數(shù)據(jù)不斷地輸送給觸控屏， 完成最終的顯示刷新， 其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　觸控屏控制器刷新周期開(kāi)始時(shí)，主端口模塊根據(jù)幀緩存地址生成邏輯所產(chǎn)生的地址，完成主端口的讀操作，實(shí)現(xiàn)幀緩存中數(shù)據(jù)讀取，并將該數(shù)據(jù)輸送給輸出緩沖模塊。同時(shí)，時(shí)序信號(hào)生成模塊依據(jù)觸控屏的時(shí)序規(guī)范生成行、場(chǎng)同步信號(hào)，以及與像素同步的相關(guān)顯示點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。觸控屏控制器數(shù)據(jù)顯示模塊不斷從緩存中讀取屏幕顯示數(shù)據(jù)。

　　2 觸控屏控制器模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 Avalon-MM Slave 接口模塊

　　本模塊掛載在Avalon 總線(xiàn)上作為從設(shè)備使用，用來(lái)對(duì)所有的用戶(hù)邏輯進(jìn)行配置和控制， 核心功能是寄存器操作，包括讀、寫(xiě)以及一些特殊指示與狀態(tài)信號(hào)的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換。通過(guò)從端口得到的數(shù)據(jù)分別賦值給相應(yīng)的寄存器，寄存器分為：FIFO 地址寄存器、坐標(biāo)寄存器、一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器。本模塊是最后在觸控屏上實(shí)現(xiàn)圖形顯示功能的接口電路。

　　2.2 Avalon-MM Master 接口模塊

　　LCD 控制器的本功能是產(chǎn)生LCD 時(shí)序信號(hào)，將幀緩存中的圖像信息進(jìn)行有序輸出。由于圖形是一幀一幀地輸出到觸控屏上，而且顯示刷新過(guò)程是無(wú)限循環(huán)的，所以必須反復(fù)執(zhí)行幀緩存讀操作，因此本設(shè)計(jì)對(duì)上述讀操作進(jìn)行了硬件加速?？梢圆粩嗟貜腇IFO 讀取圖像數(shù)據(jù)，并且在行、場(chǎng)和觸控屏顯示有效時(shí)間段讀取圖像數(shù)據(jù)，其它時(shí)間不讀圖像數(shù)據(jù)，這樣減少了Avalon 總線(xiàn)的使用，有利于圖像顯示并減少了總線(xiàn)負(fù)擔(dān)。分析讀幀緩存的操作可以發(fā)現(xiàn)，該過(guò)程總是按照一定的順序，將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀出來(lái)進(jìn)行顯示輸出，規(guī)律性非常強(qiáng)。本模塊主要完成地址及操作時(shí)序的產(chǎn)生、像素?cái)?shù)據(jù)緩存寫(xiě)操作控制、數(shù)據(jù)寬度的變換等功能。

　　2.3 觸控屏?xí)r序產(chǎn)生模塊

　　本文的觸控屏引出信號(hào)線(xiàn)有5 根：像素?cái)?shù)據(jù)信號(hào)、觸控屏?xí)r鐘信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、使能信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)觸控屏的正常顯示，必須對(duì)以上信號(hào)按照規(guī)范的時(shí)序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中，行、場(chǎng)同步信號(hào)分別用來(lái)標(biāo)記屏幕上一行和一幀圖像的顯示時(shí)間，屏幕掃描線(xiàn)從上到下、從左到右依次掃描。在這個(gè)過(guò)程中，只需將幀緩存中的圖像像素?cái)?shù)據(jù)依次輸出，就可以實(shí)現(xiàn)屏幕圖像顯示。

　　2.4 FIFO 幀緩存模塊

　　DDR 控制器隨著系統(tǒng)時(shí)鐘不斷往FIFO 寫(xiě)數(shù)據(jù)， 當(dāng)一幀數(shù)據(jù)寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)就不再進(jìn)行寫(xiě)狀態(tài)，而等待LCD 控制器進(jìn)行讀狀態(tài)， 顏色處理器從FIFO 中獲取數(shù)據(jù)， 每次從FIFO 中讀取32 bit 數(shù)據(jù)并不斷送給LCD.顏色處理器將每一個(gè)字節(jié)作為一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，并將一個(gè)字節(jié)的像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3 個(gè)字節(jié)的RGB 數(shù)據(jù)。顏色處理器從同步FIFO 緩沖器中讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)同步FIFO 緩沖器寫(xiě)和讀相互不沖突時(shí)，同步FIFO 緩沖器產(chǎn)生讀請(qǐng)求，讓Avalon 主端口向Avalon 總線(xiàn)發(fā)起讀傳輸，從總線(xiàn)上獲取的數(shù)據(jù)將寫(xiě)入同步FIFO 緩沖器，顏色處理器從FIFO 中讀取像素值，并且傳給LCD 顯示模塊。

　　3 Modelsim 仿真與測(cè)試

　　1）Avalon 從端口仿真與測(cè)試

　　由圖2 可知，從端口一位地址對(duì)應(yīng)一位數(shù)據(jù)。當(dāng)寫(xiě)信號(hào)有效時(shí)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器；當(dāng)讀信號(hào)有效時(shí)，對(duì)應(yīng)寄存器地址將數(shù)據(jù)輸出。通過(guò)從端口數(shù)據(jù)寫(xiě)入來(lái)控制LCD 模塊，控制LCD 讀取圖像的首地址和讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

　　圖2 從端口仿真波形圖