利用FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信接口之： 利用FPGA實(shí)現(xiàn)常用顯示接口（Display Interface）

10.4利用FPGA實(shí)現(xiàn)常用顯示接口（DisplayInterface）

10.4.1七段數(shù)碼顯示接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

七段數(shù)碼管因?yàn)閮r(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單，經(jīng)常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的狀態(tài)顯示功能。七段數(shù)碼管的標(biāo)準(zhǔn)外觀圖如圖10.16所示。右下角的圓點(diǎn)用Dp來(lái)表示，用來(lái)實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)的顯示。

七段數(shù)碼管經(jīng)常用來(lái)顯示十進(jìn)制或十六進(jìn)制的數(shù)，所以在數(shù)據(jù)顯示之前，首先要進(jìn)行二進(jìn)制到十進(jìn)制或者十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。將它們轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的或是十六進(jìn)制的數(shù)。

七段數(shù)碼管分為共陰和共陽(yáng)兩種類型。比如，紅色颶風(fēng)開(kāi)發(fā)板使用的是共陰類型的數(shù)碼管，信號(hào)是高電平有效。十六進(jìn)制數(shù)據(jù)在顯示的時(shí)候?qū)?yīng)的各段輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系如表10.2所示。

表10.2 十六進(jìn)制數(shù)據(jù)與輸出的映射關(guān)系

紅色颶風(fēng)開(kāi)發(fā)板上采用的是4位并聯(lián)的數(shù)碼管。4個(gè)數(shù)碼管共用8條數(shù)據(jù)線，控制線是獨(dú)立的。如果4個(gè)數(shù)碼管要顯示不同的數(shù)值，比如顯示1234，那么就需要采用一種控制策略。最常用的方法就是動(dòng)態(tài)掃描顯示。

動(dòng)態(tài)掃描顯示利用了時(shí)分的原理和人的視覺(jué)暫留效應(yīng)。例如，一個(gè)4位動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼顯示器的顯示周期可劃分為4個(gè)階段。

階段1→階段2→階段3→階段4

每個(gè)周期只選通一位數(shù)據(jù)。在周期1顯示第一個(gè)數(shù)碼，周期2顯示第二個(gè)數(shù)碼。在掃描4個(gè)階段后，又重新按順序循環(huán)。如果掃描的速度足夠快，從視覺(jué)上看就好像4個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示不同的內(nèi)容。

4位掃描數(shù)碼管共有4組BCD碼（4位）輸入線，8根8段譯碼輸出線和4根位選通線。掃描工作中，先從4組BCD數(shù)據(jù)中選出一組，通過(guò)BCD/7段譯碼器譯碼后輸出。與此同時(shí)，3/8譯碼器產(chǎn)生位選通信號(hào)，則在此瞬間，數(shù)碼管應(yīng)該為要顯示的數(shù)值。然后再選出下一組數(shù)據(jù)譯碼后輸出，位選通信號(hào)則相應(yīng)下移一位，將下一數(shù)碼管選通輸出，如圖10.17所示。

圖10.17動(dòng)態(tài)掃描原理示意圖

10.4.2字符型LCD顯示接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

液晶屏（LCD）通常分為點(diǎn)陣型和字符型兩種。字符型的液晶屏相對(duì)于數(shù)碼管來(lái)說(shuō)，可以顯示更多的內(nèi)容和字符，人機(jī)界面更為友好，而且操作簡(jiǎn)單，因此得到了廣泛的應(yīng)用。不同廠家的字符型LCD雖然型號(hào)不同，但是操作方法基本是一致的。

字符型LCD一般會(huì)根據(jù)顯示字符的數(shù)量來(lái)確定型號(hào)，如1602表示這個(gè)液晶可以顯示2行字符，每行為16個(gè)。紅色颶風(fēng)開(kāi)發(fā)板上采用的字符型LCD的型號(hào)就是1602。下面就以1602為例來(lái)介紹字符型LCD顯示接口的設(shè)計(jì)方法。

1602型液晶模塊采用14針標(biāo)準(zhǔn)接口，各個(gè)管腳的定義如表10.3所示。

表10.3 1602型液晶模塊的管腳配置表

1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形。這些字符包括：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)和日文假名等。每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是0100_0001B（41H）。

顯示的時(shí)候，模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。在編程實(shí)時(shí)，只需要輸入相應(yīng)字符的地址，液晶屏就會(huì)輸出相應(yīng)的字符。

FPGA對(duì)液晶模塊的寫(xiě)操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1602型液晶的操作指令表如表10.4所示。

表10.4 1602型液晶模塊的指令表

各條指令的說(shuō)明如下（表10.4中，設(shè)1為高電平、0為低電平）。

·指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。

·指令2：光標(biāo)返回，光標(biāo)返回到地址00H。

·指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置。其中I/D表示光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移；S表示屏幕上所有文字是否左移或者右移，高電平表示有效，低電平則無(wú)效。

·指令4：顯示開(kāi)/關(guān)控制。其中D表示控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯示；C表示控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo)；B表示控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

·指令5：光標(biāo)或顯示移位。其中S/C表示高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)；R/L表示文字或光標(biāo)的移動(dòng)方向，高電平為右移，低電平為左移。

·指令6：功能設(shè)置命令。其中DL表示高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線；N表示低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示；F表示低電平時(shí)顯示5×7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5×10的點(diǎn)陣字符。

·指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

·指令8：DDRAM地址設(shè)置。

·指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址。其中BF表示忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

·指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)。

·指令11：讀數(shù)據(jù)。

10.4.3VGA顯示接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于VGA接口是模擬信號(hào)，而FPGA只能支持?jǐn)?shù)字信號(hào)，因此需要專用的D/A轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。常用的DAC芯片有ADI公司的ADV7123或者ADV7125等。

在某些應(yīng)用場(chǎng)合下，VGA顯示器僅僅是用來(lái)顯示文字符號(hào)或者簡(jiǎn)單圖形，不需要豐富的色彩和細(xì)膩的畫(huà)面。這時(shí)候，VGA接口就可以適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化。

標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口連接器為DB15，在15個(gè)管腳里面有5個(gè)是最重要的。它們分別是紅、綠，藍(lán)三基色信號(hào)和水平、垂直兩個(gè)同步控制信號(hào)，如圖10.18所示，其中，VGA_R、VGA_G、VGA_B、VGA_HS、VGA_VS是直接連接到FPGA的管腳。

圖10.18簡(jiǎn)化的VGA接口電路連接

FPGA的管腳只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，因此對(duì)于每個(gè)色彩分量信號(hào)也僅有兩種狀態(tài)。這樣3個(gè)色彩分量就可以組合出8種顏色，如表10.5所示。

表10.5 簡(jiǎn)化的VGA接口色彩對(duì)照表

VGA信號(hào)如果要正常顯示，那么輸出信號(hào)必須滿足一定的時(shí)序關(guān)系。如圖10.19所示為VGA接口電路的通用時(shí)序關(guān)系。不同的分辨率和刷新率有不同的時(shí)序如表10.6所示。

圖10.19VGA接口電路的通用時(shí)序關(guān)系

表10.6 常見(jiàn)分辨率的VGA時(shí)序參數(shù)表