FPGA的LCD液晶显示器设计

作者：时间：2017-10-20来源：网络收藏

　　由LCD液晶显示器制作的显示面板广泛应用于军用设备中，本设计采用Spartan-3E FPGA为硬件，该2×16字符型LCD内嵌一个Sitronix ST7066U图形控制器，实现了LCD显示器的字符或者汉字的满屏显示、满屏移动显示以及单个字符在屏幕上的移动显示，所有功能用VHDL语言实现，符合LCD显示器要求，达到各种显示效果。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366536.htm

　　由于LCD 液晶显示器体积小、重量轻、功耗低，应用非常广泛，如作为飞机、坦克和船上的显示面板，可缩小原CRT显示器的所占空间，减轻设备重量，增强机动性。

　　本设计采用Spartan-3E开发板上的一个内嵌Si.tronix ST7066U图形控制器的字符型LCD，实现了：（1）单个字符在任意位置的显示以及字符的满屏显示及满屏移动显示；（2）自定义字符（汉字）的显示以及单个字符的满屏移动显示。其中，图形控制器［1］负责接收控制指令及数据并将其发送给LCD显示器。

　　1 Sitronix ST7066U 图形控制器

　　该控制器有三个内部存储空间，DD RAM、CGROM、CG RAM，送数据之前应先初始化。

　　（1）DD RAM（显示数据RAM）

　　存储字符编码，从物理上讲DD RAM共有80个字符位置，每行有40个字符，但只有16个可被显示，剩余的24个不被显示。在读或写之前，需初始化地址计数器，地址计数器在读或写之后可保持常数或者自动增1或减1。

　　（2）CG ROM（字符产生器ROM）

　　包含每个事先定好的字符的字体位图。

　　（3）CG RAM（字符产生器RAM）

　　包含8位的自定义字符位图，每个自定义字符位由8行位图的5个点组成，具体用法与DD RAM相同。

　　1.1 与FPGA 的接口信号

　　LCD与FPGA的接口信号［2］有：（1）使能信号LCD_E；（2）寄存器选择信号LCD_RS；（3）读/写控制信号LCD_RW；（4）4根LCD数据线与StrataFlash数据线SF_D《11：8》复用。

　　1.2 时序分析

　　SF_D《11：8》的数据值，LCD_RS、LCD_RW必须建立并在LCD_E 转向高电平之前至少稳定40 ns，LCD_E 保留高电平时间至少230 ns。在许多应用中，LCD_RW恒置低，因为一般不会从显示屏读取数据。

　　如图1所示，数据以8位形式传送，分为高4位和低4位，先传高4位再传低4位，其间隔时间至少1us。一个8位的写操作在下个通信之前间隔时间至少为40 us，而在清屏命令之后该延时需增至1.64 ms。

　　图1 字符型LCD 接口时序图

　　2 数据显示设计

　　2.1 流程图

　　如图2所示，LCD数据显示包括上电初始化、配置显示屏、写数据给显示屏，在写数据之前应先设定初始地址。

　　图2 LCD 显示流程图

　　本开发板晶振为50 MHz。

　　具体实现步骤如下：

　　1. 上电初始化

　　上电后显示屏需建立通信协议即初始化，目的在于建立FPGA与LCD的4位数据接口，具体如下：

　　（1）等待至少15 ms，即750000个时钟周期。

　　（2）写SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（3）等待至少4.1 ms，即205000个时钟周期。

　　（4）写SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（5）等待至少100 us，即5000个时钟周期。

　　（6）写SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（7）等待至少40 us，即2000个时钟周期。

　　（8）写SF_D《11：8》=0x2，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（9）等待至少40 us，即2000个时钟周期。

　　2. 显示屏配置

　　根据字符型LCD的命令设置而确定发送数据。

　　（1）发功能设置命令0x28，配置显示屏。

　　（2）发进入模式命令0X06，显示屏设置为自动增地址指针，设置指针移动方向为向左且规定不移动显示。

　　（3）发显示开/断命令0x0c，将显示字符的地址存储在DD RAM中。

　　（4）最后发清屏命令，此后等待时间至少为1.64 ms。

　　3. 写数据给显示屏

　　具体步骤如下：

　　（1）先指定初始地址即发送一个设置DD RAM地址命令给DD RAM中指定的初始7位地址。

　　（2）再发送一个或多个数据值即使用DD RAM命令写数据给显示屏。8位数据值通过查表地址送给CG RAM，CG RAM中存储的位图驱动5×8点阵给相应的字符。

　　如果地址计数器配置为自动增1，则可依次写多个字符编码，每个字符自动存储并显示在下个位置，继续写字符直至在第一行的最后停止，而剩余的数据不会自动在第二行显示，因为DD RAM的映射从第一行到第二行不连续。

　　2.2 程序设计实现

　　按照上面的步骤，先对LCD上电初始化，再进行配置，配置不同显示效果也不同。

　　1. 单个字符的显示

　　先设定一个DD RAM地址命令为初始地址，根据给定的命令知首地址为“10000000”，紧接着往CG RAM中写数据，通过严格控制时序关系达到单个字符的显示。默认地址设置为自动递增，若在初始地址的基础上递加，则显示字符就会变到相应的位置。例如：若首地址设为“10000001”，则显示字符就会出现在第2个位置。

　　2. 字符的满屏显示及满屏移动显示

　　在显示单个字符的基础上通过不停的写数据到LCD显示器中就会达到满屏显示的效果。

　　配置显示屏时，第二步设置模式命令0X06（00000110）时，最低位定义是否移动显示，若将最低位改为1时，则会出现满屏左移或右移的现象。

　　3. 自定义字符（汉字）的显示

　　ASCII码表不能满足需求时用户需要自定义，如汉字的显示。具体步骤如下：

　　（1）初始化CG RAM地址；

　　（2）往CG RAM中写入汉字对应的字模信息；

　　（3）建立好字模后，往DD RAM中写索引值，范围为（0x00~0x07），则新建的字符就会显示出来。

　　图3 自定义字符的显示

　　初始化CG RAM 地址时，指定命令为“01XXXXXX”，低三位代表字模信息的行数，紧接着的三位代表索引到DD RAM中的地址。写字模信息时，数据位为“XXX D4D3D2D1D0”，高三位0，1都可以，低五位为字模信息。如图3 所示，显示“口”时，需要三行字模信息1C、14、1C，即写入的数据应为：“00011100”、“00010100”、“00011100”。

　　4. 单个字符在整个屏幕上的移动显示

　　能够实现移动显示的方法有两种［3］：

　　（1）将前一个位置显示的字符清除掉，在下个位置显示同样的字符达到移动显示的效果，这需要使用清屏命令来实现；

　　（2）通过程序设计来控制：对前一个位置显示的字符进行判断，若显示的不是空白内容，则将显示空白内容的数据赋给原来的显示字符，这样原来显示字符的位置上就会出现空白内容，再通过程序判断当前位置的字符，若为空白内容则将原来显示字符的数据赋给它。由于地址设为自动递增，故在下一个位置上就会出现与原来相同的字符，依次类推，最终结果就是单个字符在整个屏幕上的移动显示。

　　第一种方法每次使用清屏命令后，地址返回到初始地址，而写下一个字符时必须返回到未使用清屏命令之前的地址，但由于在配置显示屏时已经将地址设为自动递增，因此采用这种方法程序控制［4］较复杂，故采用第二种方法。

　　关键程序代码如下：

　　If Dat=“00110001”then ---- “00110001”显示“1”；

　　Dat：=“00100000”； ---“00100000”显示空白内容；

　　w_state 《= wr64；

　　elsif Dat = “00100000” thenDat ：= “00110001”；

　　w_state 《= wr85；

　　end if；

　　由于显示屏上每行只有16 个字符可以显示，所以要想达到在整个屏幕上移动显示，需要对地址准确控制。

　　地址控制具体步骤：从第一行的第1个位置开始逐次加1，当到第16个位置时，将地址加24使其跳到第二行的第1个位置，紧接着从第二行的第1个位置开始逐次加1直到第16个位置，当到了第二行的第16个位置时将地址再返回到初始地址即第一行的第一个位置。程序代码如下：

　　if cPos 《 “10001111” then --- cPos 为指向地址的变量

　　cPos ：= cPos+1； ---第一行时逐次加1