【文章內容簡介】 。 53 54 測試結果 57 字符顯示 57 圖片顯示 58 60 結束語 61 參考文獻 63 致謝 62 基于 FPGA的 LCD控制器設計 5 第 1章 緒論 選題的背景與意義 液晶，是一種在一定溫度范圍內呈現(xiàn)既不同于固態(tài)、液態(tài)，又不同于氣態(tài)的特殊物質態(tài)，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性，又具有液體的流動性。一般可分熱致液晶和溶致液晶兩類。在顯示應用領域，使用的是熱致液晶，超出一定溫度范圍，熱致液晶就不再 呈現(xiàn)液晶態(tài)，溫度低了，出現(xiàn)結晶現(xiàn)象，溫度升高了，就變成液體；液晶顯示器件所標注的存儲溫度指的就是呈現(xiàn)液晶態(tài)的溫度范圍。液晶由于它的各向異性而具有的電光效應，尤其扭曲向列效應和超扭曲效應，所以能制成不同類型的顯示器件 (Liquid Crystal Display 簡稱LCD)。 在平板顯示器件領域，目前應用較廣泛的有液晶 (LCD)、電致發(fā)光顯示 (EL)、等離子體(PDP)、發(fā)光二極管 (LED)、低壓熒光顯示器件 (VFD)等。 液晶顯示器件有以下一些特點 ①低壓微功耗，②平板型結構，③被動顯示型（無眩光，不 刺激人眼，不會引起眼睛疲勞），④顯示信息量大（因為像素可以做得很?。?，⑤易于彩色化（在色譜上可以非常準確的復現(xiàn)），⑥無電磁輻射（對人體安全，利于信息保密），⑦長壽命（這種器件幾乎沒有什么劣化問題，因此壽命極長，但是液晶背光壽命有限，不過背光部分可以更換）。 之前，一般流行采用單片機來控制驅動 LCD。采用單片機控制 LCD的顯示在設計上相對比較簡單?？梢酝ㄟ^ KEIL等軟件的編寫方便地控制 LCD的圖形以及字符的現(xiàn)實。但是由于單片機的順序執(zhí)行結構。決定了在現(xiàn)實圖片或者字符的同時，單片機本身無法處理其他數(shù)據(jù)或者執(zhí)行其 他的運算命令。這在某種程度上大大地降低了工作的效率。 而采用 FPGA來控制LCD則不存在這個問題。但是由于 FPGA不像單片機，可以直接使用控制語句來方便地控制LCD。因此需要編寫大量的代碼來控制 LCD。因為這個原因， 采用 FPGA的設計一般都會再一次通過單片機來驅動 LCD的顯示。 本課題主要任務是設計基于 FPGA的 LCD控制器，兼顧好程序的易用性，以方便之后模塊的移植和應用。最后在 FPGA上的任意位置顯示任意的 16*16D的中文字符以及 16*8的英文字符，另外要能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的變化同步變化 LCD上顯示的內容。同 時要能將儲存模塊中的圖片數(shù)據(jù)正常地顯示在 LCD上。該課題的研究將有助于采用 FPGA的系列產品的開發(fā)，特別是需要用到 LCD得采用 FPGA的產品的開發(fā)。同時可以大大縮短 FPGA的開發(fā)時間。另外，由于模塊的易用性，也將使得更多的采用 FPGA的產品之上出現(xiàn) LCD，增加人機之間的交互性，為行業(yè)和我們的生活帶來新的變化。 LCD的 控制， 應用 和市場的 發(fā)展現(xiàn)狀 在技術方面，因集成式的控制芯片具有包括了縮小了 IC的體積、低功率消耗、降低封裝 基于 FPGA的 LCD控制器設計 6 的成本、節(jié)省電路板的數(shù)量及體積等優(yōu)點，并使材料成本及 LCD后段組裝成本得以降 低，因此許多廠商紛紛朝向高集成度控制芯片發(fā)展，并積極開發(fā)視訊應用的控制芯片。而最新趨勢Smart Panel，在制程上則有簡化流程、減少材料成本等優(yōu)點。根據(jù)相關資料顯示， Smart Panel可降低約 10%~15%的成本，這也是國外一些大廠所鐘愛的方式。 為降低控制 IC 成本，眾多 IC廠商紛紛推出集成式的單芯片控制 IC。美國的 Genesis最早推出集成式 IC，將 ADC、 Scaler、 OSD （內置菜單）與 PLL(鎖相環(huán) )為一顆單芯片控制 IC。接著更進一步集成入 DVI 組件，形成 LCD 雙?？刂?IC。其組件 集成數(shù)量持續(xù)增多，并漸漸添加 Video 的功能。當前 Genesis 最高集成度的產品，集成入的組件已經包括 ADC、 Scaler、PLL、 OSD、 TCON 與 DVI，僅剩 Video 的功能以及 SDRAM 的組件尚未集成。 隨著市場競爭的加劇，液晶顯示器廠商的成本壓力越來越大，必須采用更簡單的線路設計實現(xiàn)液晶顯示器的功能，以期降低成本，才能在市場競爭中立于不敗之地。 LCD控制 IC必將向高集成度方向發(fā)展，以滿足市場需要。 而在 LCD的應用以及市場方面，雖然手機仍然是中小尺寸液晶顯示屏 (LCD)的最主要應用設備 ，但便攜導航設備 (PND)、數(shù)碼相框和 MP3/便攜媒體播放器 (PMP)等新型設備，正在該市場的銷售額中占有越來越大的份額。由于這些產品所使用的顯示屏大于手機所用的顯示屏，因此在供應商的工廠中同樣需要更多的面板，這對于 LCD面板生產商來說是個絕好的機會。 各種中小尺寸 LCD的產能擴張和價格下降，促進了其應用領域的多元化。這又進一步刺激了需求，并吸引許多其它產品來采用中小型 LCD，如白色家電和零售標牌。 大多數(shù)行業(yè)內的公司認為，為了利用手機市場和新興產品，中小尺寸顯示屏供應商必須相應地平衡和調整策略，否則就可能 錯失整個市場。 導航設備 PND的主要功能是顯示 GPS信息，因此能否顯示詳細并準確地圖影像非常關鍵。這使得許多 PND制造商把目光轉向了更加精確的小型 LCD。 這方面出現(xiàn)的需求促使 iSuppli公司把 2020年 PND顯示屏市場的出貨量預測提高到了6,050萬部。 2020年的出貨量為 1,080萬部， 20202020年出貨量的年復合增長率是 %。iSuppli以前預測 2020年出貨量是 5,400萬部。 盡管中小尺寸 LCD價格下降，但 2020年 PND顯示屏的營業(yè)額將從 2020年的 升到 ，年復合增長率為 %。 2020年一年， PND顯示屏銷售額將比 2020年的 億美元增長近一倍，達到 。 媒體播放器 但 PND不是推動中小尺寸顯示屏市場繁榮的唯一消費電子產品。 MP3/PMP目前是使此類顯示屏出貨量增長最快的領域之一。 iSuppli公司預測， 2020年底 MP3/PMP單位出貨量將達到 ，而 2020年預計為 。 基于 FPGA的 LCD控制器設計 7 這相當于 2020年顯示屏銷售額將達到 16億美元，略低于 2020年的 17億美元，這主要是因為中小型 LCD價格隨著產能擴張和制造工藝改進而不斷下 降。 推動顯示屏單位出貨量增長的因素包括： ①消費電子公司蘋果和它的 iPod產品線，以及距蘋果最近的競爭對手緊追不舍，從而推動 MP3/PMP市場整體增長。 ② MP3音樂播放器變身進入了 PMP領域。有源矩陣 LCD供應商正在緊盯這個市場，以防止 AMOLED供應商染指。 ③因為 PMP是消費電子產業(yè)中增長最快的領域之一，而且隨著更多的產品涌現(xiàn)，將需要更多的 LCD來滿足需求。 數(shù)碼相框和便攜 DVD播放器等其它應用每年需要的顯示屏越來越多。這些應用需要較大的顯示屏 (約 )，因此它們的需求增長可能對產能分配和供需 平衡造成較大的影響。 課題的主要研究內容和重點、難點 本課題主要研究內容和重點 本課題的主要內容是基于 FPGA的 LCD控制器的設計研究，并兼顧程序的易用性以方便以后模塊的移植。該課題設計到 FPGA得應用， LCD驅動的研究，字符以及圖像顯示模式的研究等知識。并利用 QUARTUS II 實現(xiàn)相關模塊的設計，在 FPGA上實現(xiàn)對 LCD的控制，顯示任意中文，英文和圖像。 本課題的主要難點： 1. 1286412的液晶模塊指令集較為復雜，采用 FPGA設計需要定義的變量和狀態(tài)將會很多； 2. 中英文字符的顯示部分程序要考慮到程序的易用性，方便將來移植后的使用 ； 3. 圖形顯示部分，由于 1286412內部圖形顯示 GDRAM的地址尋址方式的獨特性，并不是始終從 0到 15循環(huán)，而是隨著行數(shù)的增加會做一個移位。同時 LCD屏幕上的點陣也被拆分為上下兩個半屏，分別對應 Y地址的 08和 915這導致了取模后的圖形所對應的數(shù)組，如若按普通方法則不能正常顯示 。 課題研究預期目標 本課題研究預期目標主要包括 采用 FPGA控制 LCD在任意位置顯示任意中文以及英文字符，和在 LCD上顯示儲存模塊中 的圖像數(shù)據(jù) 。 課題研究預期理論目標 1. 掌握 FPGA對 LCD的控制方法 ，為課題研究做好理論準備； 2. 通過 FPGA對 LCD的控制，使得任何開發(fā)者都可以較為容易地通過此顯示控制模塊，在液晶上顯示所需的內容。 ； ： 對于 1286412的特殊圖形 RAM對應 LCD的顯示方式，采用特定算法，使得 基于 FPGA的 LCD控制器設計 8 取模后的圖像所對應的數(shù)組，無需經過處理便可以通過 FPGA (FiledProgrammable Gate Array)在 LCD上顯示 。 課題研究預期技術目標 1. 中文字符在 LCD上的正常顯示 ； 2. 英文字符在 LCD上的正常顯示 ； 3. 輸入變動的數(shù)據(jù)能 在 LCD上的 同步刷新顯示 ； 4. 圖像數(shù)據(jù)在 LCD上的正常顯示； 基于 FPGA的 LCD控制器設計 9 第 2章 現(xiàn)代 LCD技術 現(xiàn)代 LCD技術簡介 在七十年代初液晶開始作為一種顯示媒體使用以來，液晶的應用范圍被逐漸拓寬，到目前已涉及游戲機，手機 /電話機，電視，筆記本電腦 /掌上電腦， DC/DV以及液晶顯示器等領域。 在 1984年，歐美提出了 STNLCD，而同時 TFTLCD技術也被提出，但仍不成熟，在 80年代末，日本掌握了 STNLCD的生產技術，在 93年，日本又掌握了 TFTLCD生產技術，液晶顯示器開始向廉價低成本的方向發(fā)展，隨后 DSTNLCD誕生；另一方面向高端的薄膜式晶體管 TFTLCD發(fā)展， 97年，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代 TFTLCD生產線。在此期間，韓國和我國臺灣開始介入液晶顯示器生產領域，我國內地企業(yè)也引進生產線，生產TNLCD，東亞地區(qū)逐漸發(fā)展成為世界液晶顯示器的主要生產地，第三代半及第四代TFTLCD生產線開始建立，日本，韓國和中國（含臺灣?。┰谝壕э@示器生產及技術上開始走在世界最前列。 大家知道，液晶是一種具有規(guī)則性 分子排列的有機化合物，它即不是固體也不是液體，它是介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質，把它加熱時它會呈現(xiàn)透明的液體狀態(tài)，把它冷卻時它則會出現(xiàn)結晶顆粒的混濁固體狀態(tài)。液晶按照分子結構排列的不同分為三種：粘土狀的 Smectic液晶，細柱形的 Nematic液晶和軟膠膽固醇狀的 Cholestic液晶。這三種液晶的物理特性各不相同，而第二類的細柱形的 Nematic液晶最適于用來制造液晶顯示器。 按物理結構常見的液晶顯示器可分為以下幾種： 表 常見液晶顯示器 大家從上面就可看出 TN、 STN、 DSTN三種液晶都屬于無源矩 陣 LCD，它們的原理基本相同，不同之處只是各個液晶分子的扭曲角度略有差異而已，其中 DSTN（俗稱“偽彩”）在早期的筆記本電腦顯示器及掌上游戲機上廣為應用，但由于其必須借用外界光源來顯像所以其有很大的應用局限性，但這些早期的反射型單色或彩色沒有背光設計的 LCD可以做得更薄、更輕和更省電，如果能在技術上對其進行革新這些東東對于掌上型電腦和游戲機來說還是非常有用的。而 STN超扭曲向列型無源矩陣 LCD則是我們今天 小型 液晶顯示器上 應用的主 基于 FPGA的 LCD控制器設計 10 流，它具有屏幕反應速度快，對比度好，亮度高，可視角度大 等優(yōu)點。 圖 液 晶原理圖 最早的液晶顯示器 TN它由玻璃板，偏光器， ITO膜，配向膜組成兩個夾層等組成，它是所有液晶顯示器技術原理的鼻祖。而 TFT液晶顯示器同 TN系列液晶顯示器一樣由玻璃基板、 ITO膜、配向膜、偏光板等部分組成，它也同樣采用兩夾層間填充液晶分子的設計，只不過把 TN上部夾層的電極改為 FET晶體管，而下層改為共同電極。 STNLCD技術的顯示原理 傳統(tǒng)的 TN— I CD(扭曲向列液晶顯示器件 )具有電光響應速度緩慢，閾值特性很不明顯的弱點，這給多路驅動造成了困難，使其在