【正文】 PGA的 LCD控制器設(shè)計 【摘要】 本課題主要任務(wù)是設(shè)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(yīng)用。本課題的設(shè)計采用了帶 ST7920驅(qū)動的 1286412液晶模塊，并使用 Altera公司的 cycloneII系列的EP2C5T144C8來作為核心的控制器。該控制器分為字符顯示模塊和圖片顯示模塊兩個主要部分。 最后 實現(xiàn)使用 FPGA在 LCD上的任意位置顯示任意的 16*16像素的中文字符以及 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(nèi)容。 該課題的研究將有助于采用 FPGA的系列產(chǎn)品的開發(fā)，特別是需要用到 LCD的產(chǎn)品的開發(fā)。另外，由于模塊的易用性，也將使得更多的采用 FPGA的產(chǎn)品之上出現(xiàn) LCD，增加人機(jī)之間的交互性，為行業(yè)和我們的生活帶來新的變化。 5 選題的背景與意義 5 LCD的控制，應(yīng)用和市場的發(fā)展現(xiàn)狀 7 本課題主要研究內(nèi)容和重點 7 本課題的主要難點： 10 動態(tài) STNLCD驅(qū)動方法 11 第 3章 現(xiàn)代 FPGA技術(shù) 16 Quartus II簡介 17 核心控制芯片選擇 22 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖 22 液晶模塊選用 30 第 5章 系統(tǒng)各部分模塊的設(shè)計 32 字符顯示前初始化模塊的設(shè)計 33 圖片顯示前初始化模塊的設(shè)計 36 寫入數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計 38 英文字符部分的數(shù)據(jù)模塊 38 中文字符部分的數(shù)據(jù)模塊 40 圖片部分的數(shù)據(jù)模塊 43 圖像數(shù)據(jù)的顯示控制 50 第 6章 模塊測試與使用方法 51 模塊的使用方法 51 字符顯示 模塊的使用 51 圖片顯示模塊的使用 52 測試內(nèi)容 53 57 字符顯示 57 圖片顯示 58 63 致謝 一般可分熱致液晶和溶致液晶兩類。液晶由于它的各向異性而具有的電光效應(yīng)，尤其扭曲向列效應(yīng)和超扭曲效應(yīng)，所以能制成不同類型的顯示器件 (Liquid Crystal Display 簡稱LCD)。 液晶顯示器件有以下一些特點 ①低壓微功耗，②平板型結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)確的復(fù)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）。采用單片機(jī)控制 LCD的顯示在設(shè)計上相對比較簡單。但是由于單片機(jī)的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)。這在某種程度上大大地降低了工作的效率。但是由于 FPGA不像單片機(jī)，可以直接使用控制語句來方便地控制LCD。因為這個原因， 采用 FPGA的設(shè)計一般都會再一次通過單片機(jī)來驅(qū)動 LCD的顯示。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(nèi)容。該課題的研究將有助于采用 FPGA的系列產(chǎn)品的開發(fā)，特別是需要用到 LCD得采用 FPGA的產(chǎn)品的開發(fā)。另外，由于模塊的易用性，也將使得更多的采用 FPGA的產(chǎn)品之上出現(xiàn) LCD，增加人機(jī)之間的交互性，為行業(yè)和我們的生活帶來新的變化。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。 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。接著更進(jìn)一步集成入 DVI 組件，形成 LCD 雙?？刂?IC。當(dāng)前 Genesis 最高集成度的產(chǎn)品，集成入的組件已經(jīng)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。 LCD控制 IC必將向高集成度方向發(fā)展，以滿足市場需要。由于這些產(chǎn)品所使用的顯示屏大于手機(jī)所用的顯示屏，因此在供應(yīng)商的工廠中同樣需要更多的面板，這對于 LCD面板生產(chǎn)商來說是個絕好的機(jī)會。這又進(jìn)一步刺激了需求，并吸引許多其它產(chǎn)品來采用中小型 LCD，如白色家電和零售標(biāo)牌。 導(dǎo)航設(shè)備 PND的主要功能是顯示 GPS信息，因此能否顯示詳細(xì)并準(zhǔn)確地圖影像非常關(guān)鍵。 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(yù)測提高到了6,050萬部。iSuppli以前預(yù)測 2020年出貨量是 5,400萬部。 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(dá)到 。 MP3/PMP目前是使此類顯示屏出貨量增長最快的領(lǐng)域之一。 基于 FPGA的 LCD控制器設(shè)計 7 這相當(dāng)于 2020年顯示屏銷售額將達(dá)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(chǎn)能擴(kuò)張和制造工藝改進(jìn)而不斷下 降。 ② MP3音樂播放器變身進(jìn)入了 PMP領(lǐng)域。 ③因為 PMP是消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)中增長最快的領(lǐng)域之一，而且隨著更多的產(chǎn)品涌現(xiàn)，將需要更多的 LCD來滿足需求。這些應(yīng)用需要較大的顯示屏 (約 )，因此它們的需求增長可能對產(chǎn)能分配和供需 平衡造成較大的影響。該課題設(shè)計到 FPGA得應(yīng)用， LCD驅(qū)動的研究，字符以及圖像顯示模式的研究等知識。 本課題的主要難點： 1. 1286412的液晶模塊指令集較為復(fù)雜，采用 FPGA設(shè)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(nèi)部圖形顯示 GDRAM的地址尋址方式的獨(dú)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。 課題研究預(yù)期目標(biāo) 本課題研究預(yù)期目標(biāo)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) 。 ； ： 對于 1286412的特殊圖形 RAM對應(yīng) LCD的顯示方式，采用特定算法，使得 基于 FPGA的 LCD控制器設(shè)計 8 取模后的圖像所對應(yīng)的數(shù)組，無需經(jīng)過處理便可以通過 FPGA (FiledProgrammable Gate Array)在 LCD上顯示 。 在 1984年，歐美提出了 STNLCD，而同時 TFTLCD技術(shù)也被提出，但仍不成熟，在 80年代末，日本掌握了 STNLCD的生產(chǎn)技術(shù)，在 93年，日本又掌握了 TFTLCD生產(chǎn)技術(shù)，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(chǎn)線。 大家知道，液晶是一種具有規(guī)則性 分子排列的有機(jī)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(zhì)，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(jié)晶顆粒的混濁固體狀態(tài)。這三種液晶的物理特性各不相同，而第二類的細(xì)柱形的 Nematic液晶最適于用來制造液晶顯示器。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(yīng)用的主 基于 FPGA的 LCD控制器設(shè)計 10 流，它具有屏幕反應(yīng)速度快，對比度好，亮度高，可視角度大 等優(yōu)點。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(shè)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。通 過將 TN— LCD液晶分子的扭曲角度由 90。至 360。 STN I CD 大大提高了顯示特性，目前幾乎所有的點陣圖形和大部分點陣字符 LCD均已采用了 STN 模式， STN— I CD技術(shù)在液晶產(chǎn)業(yè)中已處于逐漸成熟和完善的階段。由于玻璃內(nèi)表面 涂有定向?qū)幽げ⑦M(jìn)行了定向處理，盒內(nèi)液晶分子沿玻璃表面平行排 列，如果兩片玻璃內(nèi)表面定向?qū)犹幚淼姆较虺室欢ǖ膴A角α，則液晶分子在這兩片玻璃之間以α角度扭曲由于STNLCD 液晶分子在盒中的扭曲螺旋距比可見光波長大得多，所以當(dāng)垂直于玻璃表面一側(cè)的直線偏振光入射后，其偏光方向在通過整個赦晶層后會被扭曲α角度另一側(cè)射出，因此此液晶盒具有在成α角度偏振片間透光的作用和功能。因此，將 STN LCD放在成α角度的偏振片之間就可以用給液晶盒通電的辦法使光改變其透過和遮住狀態(tài)從而實現(xiàn)顯示的功能。 在 TN與 STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅(qū)動電極的方式，都是采用 X、 Y軸的交叉方式來驅(qū)動，如下圖所示，因此如果顯示部份越做越大的話，那么中心部份的電極反應(yīng)時間可能就會比較久。講的簡單一點，就好象是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會感到屏幕閃爍、跳動；或著是當(dāng)需要快速 3D動畫顯示時，但顯示器的顯示速度卻無法跟上，顯示出來的要果可能就會有延遲的現(xiàn)象。在顯示像素上建立直流電場并不困難，但直流電場將導(dǎo)致液晶材料的化學(xué)反應(yīng)和電極老化。因此 STN— LCD必須采用交流驅(qū)動。當(dāng) STN— LCD顯示像素眾多時，若使用靜態(tài)驅(qū)動法將會產(chǎn)生眾多的引腳以及龐大的驅(qū)動電路，實現(xiàn)起來有困難，因此常用動態(tài)驅(qū)動法。每個 STNLCD顯示像素都由其所有行和列的位置唯一確定。點陣型 STNL CD 和字符型 STNLCD 的電極連接略有不同，但它們均可以由 上圖 來表示 。這種掃描是逐行順序進(jìn)行的，循環(huán)周期很短，使得 STNLCD顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖象效果。在特定電壓下，掃描行數(shù)的增加將使占空比下降，從而引起液晶像素上交變電場有效值的下降，降低了顯示質(zhì)量，因此隨著顯示像素的增多就需要適度地提高電場電壓的有效值來保證顯示質(zhì)量。與該像素不在同一行及同一列上的像素都處于非選擇狀態(tài)下，而與該像素在同一行或同一列的像素均有選擇電壓加入，稱為半選擇點。 基于 FPGA的 LCD控制器設(shè)計 13 平均電壓法是解決“交叉效應(yīng)”的有效辦法，其原理是把半選擇點和非選擇點上的電壓平均化。平均電壓法適度提高非選擇點上的電壓來抵消半選擇點上的電壓，從而擴(kuò)大選擇點和半選擇點的電壓之間的差距，提高顯示對比度，又使非選擇和半選擇點的顯示更均勻一致。只要驅(qū)動電壓的有效值足夠大液晶就可以實現(xiàn)顯示，且選通時的透過率與有效值成正比，而對比度是透過率之比，所以只要確定了選通電壓有效值與非選通電壓有效值之比就能預(yù)測出顯示對比度的好壞。因此說，了解了可編程邏輯器件的的發(fā)展歷程，也就了解了 FPGA的發(fā)展歷程。它的應(yīng)用不僅簡化了電路設(shè)計，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方式帶來了革命性的變化。 20世紀(jì) 70年代，早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲器，紫外線可擦除制度儲存器和電可擦除只讀儲存器 3種。 PLA在結(jié)構(gòu)上由一個可編程的與陣列和可編程的或陣列構(gòu)成，陣列規(guī)模小，編程過程復(fù)雜繁瑣。 在這之后出現(xiàn)了可編程陣列邏輯 (PAL)器件，它由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，是現(xiàn)場可編程的。在 PLA的基礎(chǔ)上，又發(fā)展除了一種通用陣列邏輯 (GAL)，如 GAL16V GAL22V10等。 這些早期的 PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能， 但由于其結(jié)構(gòu)過于簡單，因此，只能用于實現(xiàn)較小規(guī)模的電路設(shè)計 為了彌補(bǔ)這一缺陷， 20世紀(jì) 80年代中期，著名的可編輯邏輯器件廠商 Altera和 Xilinx分別推出了擴(kuò)展型的復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)和類似于標(biāo)準(zhǔn)門陣列的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。這兩種器件兼容了 PAL和 GAL器件的優(yōu)點，具有體系結(jié)構(gòu)靈活、邏輯資源豐富、集成度高以