摘要：通過對LCD1602／LCD12864顯示模塊控制時序和指令集的對比分析，利用Verilog HDL描述語言完成了多功能LCD顯示控制模塊的IP核設(shè)計,，所設(shè)計的LCD顯示控制器具有很好的可移植性，只需通過端口的使能參數(shù)配置便可以驅(qū)動LCD1602／LCD12864模塊實現(xiàn)字符或圖形的實時顯示,，并且該多功能LCD控制器的可行性也在CycloneⅡ系列的EP2C5T144C8 FPGA芯片上得到了很好的驗證。
關(guān)鍵詞：FPGA,；LCD顯示控制器,；IP棱；有限狀態(tài)機(jī)
在許多嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,，都需要友好的人機(jī)信息界面,，傳統(tǒng)的數(shù)碼管或者發(fā)光二極管顯示方式已經(jīng)不能滿足實際的顯示需求，而LCD1602／LCD12864液晶顯示模塊具有低壓微功耗,、壽命長,、顯示信息量大、超薄等顯著優(yōu)點,，被廣泛應(yīng)用于智能儀器,、儀表等各種便攜式電子信息產(chǎn)品上來實現(xiàn)數(shù)字、字符和圖形的可視化信息顯示,。目前,，針對LCD1602／LCD12864液晶模塊的顯控技術(shù)主要有兩種方式，首先是基
于各種微處理器(8051／ARM／NoisⅡ／SPCE061)的微程序控制方式,，這種軟件組態(tài)的LCD模塊控制技術(shù)應(yīng)用廣泛,，但是這種控制方式會占用處理器資源、速度慢,、實時顯示性能較差,。其次，就是使用CPLD／FPGA開發(fā)的獨立顯示控制器，這種純硬件結(jié)構(gòu)的獨立顯示控制器,，速度快,、實時顯示性能好；但是這種獨立顯示控制器可移植性差,、功能單一,，很難適應(yīng)不同類型的液晶屏及不同的顯示模式。
因此,，文中就提出了一個基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設(shè)計方案,，只需通過端口的使能參數(shù)配置便可以驅(qū)動LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊實現(xiàn)字符或圖形的實時顯示,，并在FPGA開發(fā)板(EP2C5T144C8)上進(jìn)行了該設(shè)計的可行性驗證,。
1 多功能顯示控制器的端口設(shè)計
要設(shè)計能夠驅(qū)動LCD1602／LCD12864兩種液晶模塊的多功能顯示控制器，就必須同時兼顧這二者的封裝端口引腳和用途,；對多功能顯示控制器的端口做出兼容性設(shè)計,。
LCD1602液晶模塊是一款最常用、最便宜的工業(yè)字符型液晶顯示屏,，它可以顯示16x2個、5x7的點陣字符,，模塊的字模存儲器CGROM(Chara cter Generator ROM)中固化192個常用字符的字模,，另外還有8個允許用戶自定義的字符存儲器CGRAM(Character Generator RAM)?？梢杂糜谏倭康淖远x圖形顯示(如漢字),。由于顯示單元位間隔和行間隔的存在而導(dǎo)致顯示效果不好，因此LCD1602模塊主要用于西文,、ASCII碼字符的顯示,，該模塊擁有1個16引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義如表1所示,。
目前,，常用的LCD12864模塊是一種內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣型圖形液晶顯示模塊,；具有串／并多種接口方式,，內(nèi)置了8 192個16x16點漢字和128個16x8點ASCⅡ字符集，它在字符顯示模式下可以顯示8x4個16x16點陣的漢字或16x4個16x8點陣的西文(ASCH)字符,；它也可以在圖形工作模式下顯示分辨率為128x64的二值化圖形,，該模塊擁有1個20引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義與LCD1602的對比如表1所示,。
通過表1所示的LCD12864和LCD1602兩種液晶模塊的端口對比可以看出,，它們的端口定義基本相同，LCD12864模塊只比LCD16021模塊多了PSB(串并選擇)和RST(復(fù)位端)端口，因此,；可以完全按照LCD12864的端口要求來設(shè)計多功能LCD顯示控制器的端口,；PSB和RST端口在驅(qū)動LCD 1602模塊時閑置或懸空(也可以用來充當(dāng)某些特殊LCD1602屏的電源開關(guān)和背光開關(guān)信號)。
2 多功能顯示控制器的操作時序
如果LCD12864液晶模塊工作在并口的數(shù)據(jù)傳輸模式(PSB=1,、RST=1)下,，就和LCD1602液晶模塊具有完全相同的控制時序，這就要求多功能控制器產(chǎn)生的E,、RW,、RS控制信號具有正確的時序，LED模塊的讀／寫操作時序由使能信號E完成：對讀／寫操作的識別是判斷RW信號上的電平狀態(tài),；RS信號用于識別數(shù)據(jù)總線DB0～DB7上的數(shù)據(jù)是指令代碼還是屬于顯示數(shù)據(jù),，控制信號的操作時序如圖1所示。
在如圖1所示的操作時序圖形中,，LCD模塊都給出了關(guān)鍵時間參數(shù)(不同廠商產(chǎn)品有差異),，一般要求數(shù)據(jù)讀寫周期TC≥13μs；使能脈沖寬度TPW≥1．5 μs,；數(shù)據(jù)建立時間TDSW≥1μs,；數(shù)據(jù)保持時間TH≥20 ns；地址建立和保持時間(TAS和TAH)不得小于1．5μs,，因此在多功能LCD顯示控制器IP核的設(shè)計中,，必須設(shè)置有延時配置參數(shù)以滿足控制器的多種模塊驅(qū)動調(diào)試。
LCD12864和LCD1602液晶模塊都有自己一套嚴(yán)格用戶指令集,，用戶就是通過這些指令來初始化液晶模塊來選擇顯示模式,，這就要求多功能的LCD顯示驅(qū)動器同時包含多種顯示模式的用戶配置指令，LCD12864和LCD1602液晶模塊字符,、圖形顯示模式的初始化指令如表2所示,，對于指令的解釋在此不再詳述。
通過表2的指令對比可以看出兩種顯示模塊的字符顯示初始化指令完全一致,，僅僅是顯示行的起始地址有所不同,；這就需要在LCD多功能顯示控制器中設(shè)置參數(shù)跳轉(zhuǎn)，來根據(jù)模塊配置參數(shù)自動加載相應(yīng)的行起始地址,，而對于LCD模塊的圖形顯示模式需要用到擴(kuò)展指令集,，并且需要分成上下兩個半屏設(shè)置起始地址，上半屏垂直坐標(biāo)Y：8’h80~9’h9F(32行),，水平坐標(biāo)X：8’h80,；下半屏垂直坐標(biāo)和上半屏相同，而水平坐標(biāo)X：8’h88,。
3 多功能顯示控制器的狀態(tài)機(jī)設(shè)計
基于FPGA設(shè)計LCD顯示控制器,，關(guān)鍵在于采用硬件描述語言設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)(FSM)來控制LCD模塊的跳轉(zhuǎn),，文獻(xiàn)中就是使用FSM實現(xiàn)了對LCD模塊的顯示控制，但是它們都是針對一種類型LCD模塊的某種顯示模式,，不具有多模式的顯示控制能力,。因此，多功能LCD顯示控制器的有限狀態(tài)機(jī)就需要設(shè)置更多的條件轉(zhuǎn)換,，來實現(xiàn)多種控制模式,，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。
在圖2所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中,，系統(tǒng)上電后,，首先完成持續(xù)大約0．1 s(根據(jù)時鐘頻率配置)的自動復(fù)位，然后才根據(jù)模塊的端口參數(shù)選擇不同顯示模式所對應(yīng)的初始化命令,，在狀態(tài)機(jī)中設(shè)置有初始化命令,、起始行地址和屏顯示數(shù)據(jù)3條轉(zhuǎn)換路徑來適應(yīng)LCD屏的工作狀態(tài)，同時也在關(guān)鍵轉(zhuǎn)換路徑上設(shè)置有可以配置的延時循環(huán),，這樣既能方便LCD模塊的工作調(diào)試,，又能使LCD模塊一直工作在寫屏模式(RW=0)。對于LCD屏的顯示數(shù)據(jù)存儲可以完全采用FPGA內(nèi)嵌的ROM／RAM單元實現(xiàn),，如果使用雙口RAM(存儲器讀寫?yīng)毩?就能實現(xiàn)LCD模塊的動態(tài)實時顯示,。
4 多功能顯示控制器的設(shè)計驗證
使用康芯KX7C5T FPGA開發(fā)板(Altera CycleⅡEP2C5T144C8)、KBl2864KZK,、RT1602C和4x4鍵盤組成多功能LCD控制器的硬件測試平臺,；設(shè)計項目經(jīng)過QuartusⅡ9．1開發(fā)工具的工程編譯和芯片下載配置后得到的實際顯示效果圖如圖3所示，其中圖3(a)是LCD1602模塊的字符顯示效果圖,；屏的第1行顯示靜態(tài)字符，第2行實時顯示鍵盤輸入鍵值,。圖3(b)是LCD12864模塊的中西文混合字符顯示效果圖,，第4行也是實時顯示鍵盤輸入鍵值。圖3(c)是LCD12864模塊的靜態(tài)圖片顯示效果圖(ROM存儲),；圖3(d)是LCD12864模塊的實時動態(tài)圖形顯示效果圖(雙口RAM存儲),，這是用多功能LCD顯示控制器實現(xiàn)的邏輯分析儀界面。
5 結(jié)論
文中設(shè)計的多功能LCD顯示控制器,，在FPGA開發(fā)板上的驗證結(jié)果表明,，它完全具有能夠驅(qū)動LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊顯示字符和實時顯示圖形的功能,；并能夠通過端口參數(shù)配置而實現(xiàn)控制器的系統(tǒng)移植,。