楊翠娥

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

0 引言

FPGA芯片作為大規(guī)模可編程器件，以其高集成度、高速、可反復(fù)編程等特點在電子產(chǎn)品設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。作為FPGA的數(shù)據(jù)輸出外設(shè)，一般有LED數(shù)碼管輸出及LCD液晶顯示輸出較為常見。而對LCD液晶顯示輸出控制是FPGA設(shè)計的一個難點，一種方法是可以通過8051IP核加ROM模塊通過匯編程序?qū)崿F(xiàn)，資源消耗大；另一種方法是直接用Verilog程序設(shè)計實現(xiàn)控制時序，簡單明了，資源利用率高，而且易于移植。一般資料給出的Verilog程序設(shè)計完成的LCD顯示控制只能顯示固定地址的字符，本設(shè)計給出的LCD顯示控制模塊，可以對輸入端口的數(shù)據(jù)實時顯示，且可以移植應(yīng)用到各種需要LCD外設(shè)的FPGA設(shè)計中。

1 LCD1602工作原理簡介

LCD1602液晶顯示器是一種應(yīng)用廣泛的字符型液晶顯示模塊。1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即顯示兩行，每行16個字符。目前大多數(shù)的字符液晶都是基于HD44780液晶芯片的，控制原理基本相同，因此基于HD44780寫的Verilog控制程序可以很方便地應(yīng)用于其他型號的字符型液晶。LCD1602通常有16條引腳線，除了電源、地管腳，其他就是控制讀寫的端口及輸出8位數(shù)據(jù)口。HD44780內(nèi)置了DDRAM、CGROM和CGRAM。其中DDRAM用來寄存待顯示的字符代碼。共80個字節(jié)，其地址和字符的對應(yīng)關(guān)系可參考其他資料[1]。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，每一個字符都有一個固定的代碼。在程序中時可以直接用比如P1=“A”這樣的方法，PC在編譯時可以自動把“A”轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的41H代碼。對DDRAM中的內(nèi)容和地址進行操作，需要通過不同的指令來完成。通過Verilog程序設(shè)計也可以實現(xiàn)對LCD1602的指令控制、寫入數(shù)據(jù)指令控制及如何在指定位置顯示字符等的功能。

2 基于Verilog的LCD1602驅(qū)動程序設(shè)計

圖1所示為用Verilog程序設(shè)計的LCD時序控制模塊，輸入端口除了時鐘和復(fù)位端，還有20位的數(shù)據(jù)輸入端口；輸出端口和LCD字符顯示器管腳對應(yīng)。根據(jù)Verilog程序設(shè)計特點，完成對LCD的時序控制可通過狀態(tài)機的設(shè)計方法。下面一段程序內(nèi)容用關(guān)鍵詞localparam首先定義了12個不同的參數(shù)，分別對應(yīng)于LCD顯示控制、數(shù)據(jù)、地址的讀寫控制等不同的工作狀態(tài)。

圖1 LCD時序控制模塊

以dis_temp(顯示數(shù)據(jù))狀態(tài)為例，下面給出了對應(yīng)的Verilog程序。首先要判斷狀態(tài)執(zhí)行的時間，LCD1602完成一次數(shù)據(jù)的顯示需要一定的時間，在此設(shè)定為20ms。如果時間到就可以進行此狀態(tài)的工作及轉(zhuǎn)換到下一個狀態(tài)，如果時間不到就一直保持此狀態(tài)。顯示輸入數(shù)據(jù)時，因為一個字符占8個字節(jié)，所以要完整顯示電壓值比如“0.02V”五個字符時，要設(shè)定顯示數(shù)據(jù)寬度為40位，即39到0；每次顯示一個字符，光標右移再顯示第二個字符，所以cnt要計數(shù)5次，以完成5個字符的循環(huán)顯示。

下面的程序給出了如何把輸入的二進制數(shù)實時顯示為對應(yīng)的顯示字符，如最高4位數(shù)據(jù)，除了正常數(shù)字0～9對應(yīng)顯示“0～9”的字符外，根據(jù)具體設(shè)計內(nèi)容，還增加了10,11的二進制編碼，在此用于顯示小數(shù)點“.”和電壓的單位“V”二個字符。

3 基于FPGA的LCD實時顯示設(shè)計舉例

如圖2所示給出了基于FPGA的數(shù)字電壓表及LCD顯示設(shè)計的頂層電路圖，圖中共有四個模塊：鎖相環(huán)PLL模塊把系統(tǒng)時鐘clk0通過分頻和倍頻輸出三個時鐘，分別提供給AD轉(zhuǎn)換控制模塊、LCD時序控制模塊及ROM數(shù)據(jù)讀取模塊作為工作時鐘所用，其中ADCLK同時輸出給外部AD0809芯片使用；ADCINT模塊是基于Verilog設(shè)計的AD0809狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊，完成對外部AD0809芯片模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換控制[2]；由于AD0809芯片輸出的是8位二進制數(shù)，其電壓分辨率為5V/256，約為0.02V，要想通過LCD直接顯示對應(yīng)的電壓值，還需要通過ROM模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。ROM模塊的功能是通過建立初始化mif文件，形成二進制與電壓的對應(yīng)關(guān)系，然后把AD0809芯片輸出的8位二進制數(shù)作為ROM的地址，這樣就完成了二進制數(shù)到對應(yīng)電壓值的轉(zhuǎn)換。ROM模塊數(shù)據(jù)的輸出作為給LCD顯示控制模塊的數(shù)據(jù)輸入，通過上述實現(xiàn)的LCD顯示控制模塊完成對輸入數(shù)據(jù)的LCD顯示輸出。

圖2 數(shù)字電壓表頂層電路圖

如下給出了mif初始化文件的部分內(nèi)容[3]：

可以看出，通過編碼，設(shè)定1010(A)為顯示小數(shù)點字符，1011(B)為顯示電壓的單位“V”字符，地址每加1，對應(yīng)顯示的內(nèi)容增加0.02V，這樣就可以通過LCD控制模塊控制LCD實時顯示所輸入的模擬電壓值。圖3為LCD顯示的實時電壓測量數(shù)據(jù)。

圖3 LCD顯示的實時電壓測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

Verilog硬件設(shè)計語言是實現(xiàn)FPGA設(shè)計的主要設(shè)計輸入方法之一，語法簡單，結(jié)構(gòu)明了，尤其是狀態(tài)機的設(shè)計描述方法可以很方便地完成FPGA的各種模塊設(shè)計。本論文通過對LCD顯示控制的Verilog狀態(tài)機設(shè)計，完成了對LCD實時數(shù)據(jù)顯示控制，該設(shè)計程序模塊化，標準化，可廣泛應(yīng)用到FPGA的系統(tǒng)設(shè)計中。