逻辑分析仪测试在基于FPGA的LCD显示控制中的应用

逻辑分析仪测试在基于FPGA的LCD显示控制中的应用

摘要：逻辑分析仪作为基础仪器，应该在基础数字电路教学中得到广泛应用。本文介绍了基于FPGA的液晶显示控制设计方案，通过使用OLA2032B逻辑分析仪，对控制线进行监测与分析，保证设计方案的准确性，或者在设计出现问题时，快速定位和解决问题。结果表明，逻辑分析仪在数字电路的设计、调试和分析中，起着很重要的作用。

关键字：LCD；逻辑分析仪；总线分析；触发

一、引言

逻辑分析仪是数字设计验证与调试过程中公认最出色的工具，它能够检验数字电路是否正常工作，并帮助用户查找并排除故障。逻辑分析仪的主要特点是能够同时观察多个信号；能够按高低电平、升降沿等模式触发多条信号线，并查看结果。在基础教学实验室中，逻辑分析仪应该与示波器处于同等重要的地位，但示波器的身影随处可见，逻辑分析仪多数是纸上谈兵，而且随着很多仿真软件的成熟，设计人员在计算机上便可以观察被控器件的输出信号，这样在教学实验室中，就回避了价格昂贵、操作繁琐、不易维修的逻辑分析仪，但软件仿真与硬件输出有时会有一定的差距，这就会造成设计结果与我们预想的结果不同，而且很难查找其原因，这就需要我们观察硬件电路输出的控制信号。本文针对逻辑分析仪的使用，主要介绍了OLA2032B独立台式逻辑分析仪在EDA实验教学中的一个典型的应用——基于FPGA的液晶显示控制设计方案。

二、LCD显示控制原理简介

1、LCD的显示控制原理

实验的过程中使用了清华大学提供的EDA GW48-PK2教学实验箱，主要使用其中的液晶显示模块，此液晶显示器为HS12864-3型液晶显示器，它是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器和列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成，包含七种指令，读写指令共用八路数据。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。

在实验箱上，可以由FPGA直接控制LCD液晶显示器，如图1所示，FPGA保存子模，生成绘图指令，并根据指令生成相应的时序，发送给LCD。LCD端的DDRAM控制器接收时序控制信号并将图像显示在液晶屏上。

液晶模块的硬件构成如图2所示，液晶屏被分为左右两个区域，它是通过片选信号CS0、CS1选择当前信号所控制的区域，读写指令共用八路数据，通过几根控制线完成液晶显示器的读写工作。该设备内置64×64位的显示存储器DDRAM，显示屏上各像素点的显示状态与DDRAM中的数据一一对应，DDRAM的数据直接作为图形显示的驱动信号。DDRAM中某一点的数据为“1”，则液晶屏上相应的像素点显示；DDRAM中某一点的数据为“0”，则液晶上相应的像素点不显示。图2中，IC3为行驱动器，IC1、IC2为列驱动器，IC1、IC2、IC3中含有很多功能器件。

图2 模块主要硬件构成

通过控制DI、RW、E、CS1和CS2这五个信号管脚的电平并向数据总线上发送相应的数据，我们可以对液晶屏控制器进行简单的操作指令，如显示开关设置、显示起始行设置、地址指针设置和数据读/写等指令。这些指令可以分为两类，即显示状态设置指令和数据读/写操作指令，根据控制指令表（表1）书写操作指令。

其中：D/I：数据/指令标志位，0表示数据总线上信号为指令，1表示数据总线上信号为数据；

R/W：读/写标志位，0表示FPGA向数据总线上做写操作，1表示FPGA读数据总线。

表1 液晶屏控制指令表

如图3所示，在设计的过程中，读写时序非常关键，为保证读写操作的正确性，可用逻辑分析仪进行调试，主要观察信号的时序关系，以及读写的数据值的正确与否。读写时序有具体的时序参数要求，可以通过逻辑分析仪的测量功能，测量其中时间参数与读取时序参数表对照，具体测量方法详见下文。

图3 读写操作时序

2、设计思路

LCD显示控制器设计要点：

1) LCD的读写是一个连续的过程，需要设置好起始地址后连续的进行写入，这需要一个状态机来实现（LCD控制器）；

2) 向LCD发送指令之前需要确定LCD的状态是否可以接收指令，即要先进行读状态字的操作，这也需要一个状态机来实现（LCD读/写接口）。

3) HS12864-3液晶屏自带DDRAM，读写DB[7..0]实际上是和DDRAM交换数据。

4) 由于DDRAM为并行8位数据总线，为了发送数据尽可能简单，建议在LCD模块中采用双向8位RAM。

5) 不断刷新128*64的每一像素的数据，但只需产生数据向双向RAM中刷新。无需关心如何绘制到LCD上。

三、使用逻辑分析仪进行调试

1、设计过程中出现的问题

在实验结果中发现LCD模块每隔一段时间可能产生一些不稳定的因素，左半屏可能会不显示，有时出现滚屏的现象，有时会在液晶显示器上出现散点，或出现图像混乱现象，如图4所示。这种现象一般由于控制指令出现问题，控制线与数据线的时序关系出现偏差，出现这种现象需要使用逻辑分析仪进行调试。

图4 液晶显示的异常现象

2、搭建实验环境

基于以上问题，需要我们搭建一套实验环境，查找液晶显示过程中可能出现的错误，实验设备以逻辑分析仪为主，配备相应的测试附件，如果希望存储实验数据或者设置，还需要将逻辑分析与PC相连，利用逻辑分析仪的配套软件，将所要的数据存储下来。这样便搭建了PC实时控制软件＋OLA逻辑分析仪＋DUT待测设备的实验环境。