字符液晶顯示屏接口模塊設(shè)計

張鑫+康磊

摘 要：LCD具有工作電壓低、功耗小等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。LCD驅(qū)動電路是液晶顯示系統(tǒng)的重要組成部分，常規(guī)LCD驅(qū)動電路的開發(fā)既浪費時間，而且復用性也較差。隨著FPGA和SOPC技術(shù)的不斷成熟，基于IP核的設(shè)備驅(qū)動設(shè)計能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，縮短上市時間，因而受到越來越多開發(fā)人員的青睞。本文是基于IP核的LCD控制器的設(shè)計。首先，討論了LCD控制器的設(shè)計實現(xiàn)；接著，為LCD控制器添加Avalon總線接口信號，實現(xiàn)與Avalon總線的連接，將其封裝成LCD IP核；隨后，為了方便軟件開發(fā)，編寫了LCD的驅(qū)動函數(shù)庫；最后，構(gòu)建了一個包含該IP核的SOPC系統(tǒng)，并且在Nios II IDE環(huán)境下，編寫程序?qū)υ揑P核的功能進行驗證，結(jié)果表明，該IP核的軟硬件功能設(shè)計正確。

關(guān)鍵詞：FPGA，SOPC，LCD，IP核，Avalon總線

前言

Nios II嵌入式處理器是Altera公司提出的SOPC解決方案， 是一種用戶可隨意配置和構(gòu)建的32位嵌入式處理器，結(jié)合豐富的外設(shè)可快速、靈活地構(gòu)建功能強大的SOPC系統(tǒng)[1]，并且其提供了一些通用的IP核，使用非常方便[2]，但是在構(gòu)建SOPC系統(tǒng)時，這些IP核都是受知識產(chǎn)權(quán)保護的，費用比較高。如果設(shè)計一個基于Avalon總線的LCD控制器IP核，這樣對于構(gòu)建一個具有顯示系統(tǒng)的SOPC系統(tǒng)，就比較具有實際意義。本文在基于Nios II的SOPC系統(tǒng)中設(shè)計了LCD顯示驅(qū)動IP核，并下載到Cyclone 系列的FPGA中，實現(xiàn)了對LCD的顯示驅(qū)動。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程

（1）了解開發(fā)板上的LCD顯示屏的規(guī)格原理。

（2）在Quartus II 8.1軟件環(huán)境下進行LCD控制器的實現(xiàn)。

（3）將實現(xiàn)的LCD控制器在SOPC Bulider下封裝成為IP核。

（4）建立LCD驅(qū)動函數(shù)庫。

（5）搭建模擬測試硬件系統(tǒng)。

（6）搭建模擬測試軟件系統(tǒng)。

2 LCD IP核的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 LCD 驅(qū)動模塊的實現(xiàn)

2.1.1 設(shè)計思路

LCD控制器的實現(xiàn)共包含三個部分，分別是LCD初始化模塊，LCD顯示模塊，LCD顯示頂層模塊。LCD顯示頂層模塊用于連接初始化與顯示模塊，其中LCD初始化完成后會有一個使能信號，來驅(qū)動LCD顯示模塊工作，通過頂層文件連接初始化與顯示模塊兩部分使得該系統(tǒng)可以正常工作。

2.1.2 LCD初始化模塊實現(xiàn)

LCD初始化主要是對LCD模塊的寄存器進行初始化，也就是給寄存器寫入預設(shè)的數(shù)據(jù)，使得LCD可以正常工作。首先確定一系列輸入輸出信號，比如輸入有時鐘信號，復位信號，輸出有RS，RW，數(shù)據(jù)位等，通過把50MHz時鐘信號進行分頻，產(chǎn)生大于15ms，4.1ms，100us的時鐘信號，然后使用狀態(tài)機進行一系列的賦值工作，當狀態(tài)機進行到最后一個狀態(tài)，即模式設(shè)置狀態(tài)，將初始化完成信號賦值為1，代表初始化完成。

2.1.3 LCD顯示模塊實現(xiàn)

LCD顯示模塊主要是控制LCD正常工作，通過8位的數(shù)據(jù)輸入，然后在LCD顯示該8位數(shù)據(jù)代表的字符。首先LCD顯示模塊必須是在LCD初始完成后才能正常工作，所以LCD初始模塊初始完成信號便是LCD顯示模塊的使能信號，通過一系列狀態(tài)，比如清屏狀態(tài)，功能設(shè)置狀態(tài)等，使得輸入的八位數(shù)據(jù)可以到達輸出部分，并且在每個狀態(tài)中對RS，RW等LCD的功能引腳進行賦值，以達到在合適的時候，將合適的指令與數(shù)據(jù)送到對應(yīng)的引腳。這樣才能確保LCD顯示模塊正常工作。

2.1.4 頂層模塊的實現(xiàn)

首先，完成LCD初始模塊與LCD顯示模塊的編碼，然后通過各種器件進行連接，其中LCD初始化完成后會產(chǎn)生一個LCD初始化完成信號，來驅(qū)動LCD顯示模塊工作，LCD初始化與LCD顯示模塊的輸出都要進入一個擴展模塊，除了LCD初始模塊的初始化完成后的信號，將兩個模塊的輸出通過兩個擴展模塊后，再進入到一個二選一數(shù)據(jù)選擇器中，數(shù)據(jù)選擇器的選擇信號量為初始化的完成信號，最后，將選擇得到的數(shù)據(jù)進行拆分，分別輸送到LCD的功能引腳，LCD的控制器到此完成。

2.2 LCD IP核的封裝

在LCD IP核的封裝過程中，首先要了解Avalon總線常用信號接口，這樣才能確保LCD控制器信號量與Avalon總線連接的正確性；接著，將頂層模塊中的clk、reset_n、chipselect、address、data、write、writedata、export、read

data等信號與Avalon總線信號接口對應(yīng)相連，同時頂層模塊將LCD 顯示屏的初始化模塊與顯示模塊連接起來，使得LCD顯示屏可以正常的工作；最后在SOPC Bulider中，將LCD IP核設(shè)置為組件，實現(xiàn)LCD IP核的封裝。

2.3 建立LCD驅(qū)動函數(shù)庫

LCD驅(qū)動函數(shù)庫主要為了方便開發(fā)人員對該LCD IP核的使用。

3 LCD IP核功能驗證

3.1 模擬測試系統(tǒng)的設(shè)計思路

要驗證LCD IP核的功能，首先搭建一個包含該IP核的模擬測試硬件系統(tǒng)，然后搭建一個模擬測試軟件系統(tǒng)，通過兩部分的協(xié)作，來實現(xiàn)驗證功能。

3.2 搭建模擬測試硬件系統(tǒng)

模擬測試硬件系統(tǒng)是將自定義的LCD IP核添加到一個具有Nios II處理器、JATG UART、RAM，PIO組件的SOPC系統(tǒng)中，在此過程中要添加兩類PIO，分別是輸入PIO，中斷PIO，輸入PIO的主要是進行數(shù)據(jù)的輸入，中斷PIO主要是產(chǎn)生中斷信號，接著設(shè)置Nios II處理器的異常中斷與復位地址，自動分配地址與中斷號，最后生成SOPC系統(tǒng)，添加輸入輸出，重命名，編譯綜合，完成后進行引腳分配，再次綜合，到此，一個完整的模擬測試硬件系統(tǒng)便搭建完畢。

3.3 搭建模擬測試軟件系統(tǒng)

模擬測試軟件系統(tǒng)主要是在模擬測試硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用LCD驅(qū)動函數(shù)來實現(xiàn)對LCD IP核的功能進行驗證。通過在Nios II IDE中創(chuàng)建NIOS II C/C++ Application，編譯該工程，配置和編譯完成后，出現(xiàn)一系列與硬件系統(tǒng)相關(guān)的文件，之后進行主函數(shù)的編寫，通過調(diào)用LCD驅(qū)動函數(shù)和中斷技術(shù)來實現(xiàn)功能，在主函數(shù)中，首先在中斷初始化程序中對中斷服務(wù)程序進行注冊，當捕獲到中斷時，便進入中斷服務(wù)程序，在此過程中，先得到輸入PIO的值，然后設(shè)定一個計數(shù)器來表示LCD字符的位置，先把字符顯示在LCD顯示屏第一行，當計數(shù)器大于15時，便把字符顯示在LCD顯示屏的第二行，當計數(shù)器等于31時，將計數(shù)器清零，繼續(xù)把字符顯示在LCD顯示屏第一行第一個位置，這樣便把輸入的值通過中斷顯示在LCD顯示屏上，通過撥動開關(guān)產(chǎn)生相對應(yīng)字符的Ascll碼，按下中斷按鍵后，對應(yīng)的字符便會顯示在LCD顯示屏上。

參考文獻

[1]趙倩編著，Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與FPGA應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2012：139-244.

[2]劉敏.采用SOPCIP核技術(shù)實現(xiàn)液晶屏顯示[J].液晶與顯示，2011，（05）：665-672.endprint