基于FPGA和Verilog的液晶顯示控制器設(shè)計

液晶顯示器由于具有低壓、微功耗、顯示信息量大、體積小等特點(diǎn)，在移動通信終端、便攜計算機(jī)、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)等領(lǐng)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(qū)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(tǒng)提供時序信號和顯示數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)液晶顯示。本設(shè)計是一種基于FPGA(現(xiàn)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，可以針對小同的液晶顯示模塊更改時序信號和顯示數(shù)據(jù)。FPGA的集成度、復(fù)雜度和面積優(yōu)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。本文選用Xilinx公司的SpananIII系列XC3S200器件，利用硬件描述語言Verilog設(shè)計了液晶顯示擰制器，實(shí)現(xiàn)了替代專用集成電路驅(qū)動控制LCD的作用。

1 功能分析與設(shè)計要求

液晶顯示模塊(LCM)采用深圳拓?fù)湮M2028、STN圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，5.7in，320×240點(diǎn)陣，邏輯電壓輸入為3．0～5．0V，4位控制接口，具有行列驅(qū)動電路，白光LED背光源。表l為該液晶顯示模塊的引腳功能描述。

液晶顯示器的掃描方式是逐行掃描，當(dāng)一行被選通以后，這一行中的各列信號同時加到列上，并維持一個掃描行的時間。這一行維持時間結(jié)束后，即選通下一行，同時各列電極也施加下一行的顯示電壓。

列驅(qū)動器邏輯電路由移位寄存器和鎖存器構(gòu)成，在一個顯示數(shù)據(jù)位移脈沖信號CP作用下，將一組顯示數(shù)據(jù)(4位)位移到寄存器中并保持。當(dāng)下一個CP到來后。移位寄存器中第1位顯示數(shù)據(jù)被移至第2位，這樣在80個CP脈沖作用下，一行顯示數(shù)據(jù)被存入寄存器后，寄存器并口對接鎖存器，在鎖存脈沖LP的作用下，該行數(shù)據(jù)被鎖存到鎖存器內(nèi)輸出給列電極。鎖存脈沖LP的間隔為一個行周期，而行移位脈沖間隔也為一個行周期，因此二者是一致的。

幀掃描信號FLM即為行選通信號，脈寬為一行時間，在行移位脈沖LP作用下，存入移位寄存器后逐行位移，在一幀的最后一行輸出高電平，代表下一幀的開始。M為液晶顯示交流驅(qū)動波形信號，即一幀改變一次波形的極性，防止液晶單方向扭曲變形。更為詳細(xì)的時序關(guān)系如圖1所示。

2 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 液晶控制器總體設(shè)計

本設(shè)計的液晶顯示器刷新頻率為70Hz，每一幀周期為14．28ms，每一行周期為60μs，時鐘信號CP的頻率為2 MHz，將一行數(shù)據(jù)輸入列移位寄存器的時間為40μs，因此每一行設(shè)計了20μs的空白時間。

液晶控制器系統(tǒng)原理如圖2所示。時鐘模塊采用Xilinx公司的Coregen IP工具定制，數(shù)字時鐘管理器DCM模塊將FPGA 50 MHz時鐘信號CLK_IN 25分頻為2 MHz控制器時鐘信號CLK。DCM采用了數(shù)字延遲鎖相環(huán)技術(shù)來消除時鐘相位的位移，提供比自行分頻更穩(wěn)定的時鐘信號，以滿足控制系統(tǒng)要求。CONTROLLER模塊為LCM提供滿足圖l所示時序要求的控制信號CP、LP、FLM、M、DISPOFF，并且同步產(chǎn)生SRAM的讀地址ADDRA[14：0]。

SRAM為內(nèi)存模塊。為了提高輸入LCD的數(shù)據(jù)流速度．設(shè)計了32K×4位的艤端口內(nèi)存，可同時實(shí)現(xiàn)讀/寫，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化，由上位機(jī)MCU輸入的8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為輸入LCM列驅(qū)動器的4位數(shù)據(jù)；B端口由MCU_INTERFACE與上位機(jī)MCU連接，由MCU微控制器將顯示數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存SRAM。其中，ADDRB[13：0]控制16K×8位的寫地址，DINB[7：O]為寫入數(shù)據(jù)，WEB為寫有效控制，CLKB為寫時鐘；A端口由CONTROLLER模塊控制讀地址ADDRA[14：0]，讀時鐘CLKA由系統(tǒng)時鐘信號CLK控制，DOUTA[3：0]將數(shù)據(jù)寫入LCM列驅(qū)動器。

2.2 控制模塊設(shè)計

應(yīng)用狀態(tài)機(jī)的方法，用Verilog硬件描述語言設(shè)計控制模塊CONTROLLER。CLK為2 MHz輸入時鐘信號。LP和內(nèi)部控制信號DEN由狀態(tài)機(jī)1控制產(chǎn)生，F(xiàn)LM由狀態(tài)機(jī)2控制產(chǎn)生，M由狀態(tài)機(jī)3控制產(chǎn)生，CP信號和ADDRA[14：0]根據(jù)CLK和DEN信號控制得到。狀態(tài)機(jī)1有3個狀態(tài)：狀態(tài)1，LP為O，DEN為1，持續(xù)80個CLK脈沖后轉(zhuǎn)向狀態(tài)2；狀態(tài)2，LP為l，DEN為0，持續(xù)1個CLK脈沖后轉(zhuǎn)向狀態(tài)3；狀態(tài)3，LP為O，DEN為O，持續(xù)39個CLK脈沖后轉(zhuǎn)向狀態(tài)1。狀態(tài)機(jī)2有2個狀態(tài)：狀態(tài)1，F(xiàn)LM為l，持續(xù)1個LP周期時間，即120個CLK脈沖；狀態(tài)2，F(xiàn)LM為O，持續(xù)剩下的239個LP周期，即28 680個CLK脈沖。狀態(tài)機(jī)3有2個狀態(tài)，狀態(tài)l，M為1。持續(xù)1個FLM周期時間，即28800個CLK脈沖；狀態(tài)2，M為0，也持續(xù)1個FLM周期時間。CP信號和ADDRA由于含有空白信號，所以由內(nèi)部控制信號DEN和時鐘信號CLK得到。以下為設(shè)計的源代碼初始化部分：

3 仿真、下載測試分析

在ISE6．3環(huán)境下完成控制器設(shè)計后，在MODELSIM6．1b環(huán)境下完成仿真測試，波形如圖3所示。

仿真波形結(jié)果符合設(shè)計要求。完成仿真后，經(jīng)過綜合實(shí)現(xiàn)，生成編程文件并且通過下載軟件實(shí)現(xiàn)對Xilinx公司FPGA器件XC3S200編程，并用泰克邏輯分析儀TLA721分析測試，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4中各控制信號之間的時序關(guān)系完全符合設(shè)計要求。測得一個CP脈沖周期為500ns，在每行結(jié)束處有40個CP脈沖周期約20μs的空白信號；LP周期為60μs，高電平持續(xù)時間為500 ns，即一個CP周期；FLM周期為14．28 ms，約為70 Hz，高電平持續(xù)時間為60μs，即1個LP周期。測試結(jié)果表明，本設(shè)計液晶控制器完全符合LCM對控制信號的要求。

結(jié)語

利用硬件描述語言Verilog設(shè)計LCM控制器的方法，具有減小電路板尺寸、易于集成到片上系統(tǒng)、縮小系統(tǒng)體積、方便修改、適應(yīng)不同液晶顯示器等特點(diǎn)，具有很好的可重用性；同時也是后續(xù)開發(fā)其他種類液晶顯示控制器的基礎(chǔ)。

本液晶顯示控制器與MCU組成顯示系統(tǒng)后，MCU將顯示數(shù)據(jù)寫入SRAM中，控制器將顯示數(shù)據(jù)讀出并與控制信號同步送入LCM中，很好地實(shí)現(xiàn)了圖形顯示。表明該液晶顯示控制器成功地替代了傳統(tǒng)的ASIC液晶控制器，具有良好的應(yīng)用前景。