基于SOPC 的觸控屏控制器IP核設計

可編程片上系統（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統，它設計方式靈活，具備軟硬件在系統可編程功能。SOPC 在設計上以集成電路IP 核為基礎，而自行開(kāi)發(fā)的SOPC IP 核，根據實(shí)際硬件資源和功能任務(wù)需求來(lái)定制顯示控制功能，可以增強系統可靠性和設計靈活性，降低了成本。目前針對LCD顯示設計的控制器IP 核文章較多[1-2],但對于TFT-LCD 觸控屏設計的控制器IP 核文章較少[3],而且這類(lèi)文章中很少見(jiàn)對控制器各個(gè)模塊進(jìn)行仿真驗證內容。

　　文中提出一種針對TFT-LCD 觸控屏控制器IP 核的設計方法。該控制器具有Avalon 總線(xiàn)接口，與其他標準IP 核一起構成以NiosⅡ為核心的片上系統。針對本設計中觸控屏幀緩存讀操作的特點(diǎn)，選擇以Avalon 主端口接口的形式對模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，大大提高了處理器運行效率，同時(shí)實(shí)現了觸控屏控制器IP 核的參數化設計， 提高了控制器對于不同LCD 屏的可復用性，最后通過(guò)對輸出緩沖FIFO 的使用，解決了數據讀出時(shí)鐘與像素時(shí)鐘不同步問(wèn)題。

　　1 觸控屏控制器總體結構

　　在SDRAM 中開(kāi)辟一段儲存空間， 用來(lái)存放屏幕圖像數據，稱(chēng)之為幀緩存。通過(guò)設計適當的硬件邏輯來(lái)建立幀緩存與屏幕圖像像素之間的一一對應關(guān)系，并配合觸控屏顯示所必需的行、場(chǎng)時(shí)序信號，將幀緩存中的數據不斷地輸送給觸控屏， 完成最終的顯示刷新， 其總體結構如圖1所示。

　　觸控屏控制器刷新周期開(kāi)始時(shí)，主端口模塊根據幀緩存地址生成邏輯所產(chǎn)生的地址，完成主端口的讀操作，實(shí)現幀緩存中數據讀取，并將該數據輸送給輸出緩沖模塊。同時(shí)，時(shí)序信號生成模塊依據觸控屏的時(shí)序規范生成行、場(chǎng)同步信號，以及與像素同步的相關(guān)顯示點(diǎn)的橫、縱坐標。觸控屏控制器數據顯示模塊不斷從緩存中讀取屏幕顯示數據。

　　2 觸控屏控制器模塊設計

　　2.1 Avalon-MM Slave 接口模塊

　　本模塊掛載在A(yíng)valon 總線(xiàn)上作為從設備使用，用來(lái)對所有的用戶(hù)邏輯進(jìn)行配置和控制， 核心功能是寄存器操作，包括讀、寫(xiě)以及一些特殊指示與狀態(tài)信號的產(chǎn)生與轉換。通過(guò)從端口得到的數據分別賦值給相應的寄存器，寄存器分為：FIFO 地址寄存器、坐標寄存器、一幀數據長(cháng)度寄存器。本模塊是最后在觸控屏上實(shí)現圖形顯示功能的接口電路。

　　2.2 Avalon-MM Master 接口模塊

　　LCD 控制器的本功能是產(chǎn)生LCD 時(shí)序信號，將幀緩存中的圖像信息進(jìn)行有序輸出。由于圖形是一幀一幀地輸出到觸控屏上，而且顯示刷新過(guò)程是無(wú)限循環(huán)的，所以必須反復執行幀緩存讀操作，因此本設計對上述讀操作進(jìn)行了硬件加速?？梢圆粩嗟貜腇IFO 讀取圖像數據，并且在行、場(chǎng)和觸控屏顯示有效時(shí)間段讀取圖像數據，其它時(shí)間不讀圖像數據，這樣減少了Avalon 總線(xiàn)的使用，有利于圖像顯示并減少了總線(xiàn)負擔。分析讀幀緩存的操作可以發(fā)現，該過(guò)程總是按照一定的順序，將存儲器中的數據讀出來(lái)進(jìn)行顯示輸出，規律性非常強。本模塊主要完成地址及操作時(shí)序的產(chǎn)生、像素數據緩存寫(xiě)操作控制、數據寬度的變換等功能。

　　2.3 觸控屏時(shí)序產(chǎn)生模塊

　　本文的觸控屏引出信號線(xiàn)有5 根：像素數據信號、觸控屏時(shí)鐘信號、行同步信號、場(chǎng)同步信號、使能信號。為了實(shí)現觸控屏的正常顯示，必須對以上信號按照規范的時(shí)序進(jìn)行驅動(dòng)，其中，行、場(chǎng)同步信號分別用來(lái)標記屏幕上一行和一幀圖像的顯示時(shí)間，屏幕掃描線(xiàn)從上到下、從左到右依次掃描。在這個(gè)過(guò)程中，只需將幀緩存中的圖像像素數據依次輸出，就可以實(shí)現屏幕圖像顯示。

　　2.4 FIFO 幀緩存模塊

　　DDR 控制器隨著(zhù)系統時(shí)鐘不斷往FIFO 寫(xiě)數據， 當一幀數據寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)就不再進(jìn)行寫(xiě)狀態(tài)，而等待LCD 控制器進(jìn)行讀狀態(tài)， 顏色處理器從FIFO 中獲取數據， 每次從FIFO 中讀取32 bit 數據并不斷送給LCD.顏色處理器將每一個(gè)字節作為一個(gè)像素數據，并將一個(gè)字節的像素數據轉換為3 個(gè)字節的RGB 數據。顏色處理器從同步FIFO 緩沖器中讀取數據，當同步FIFO 緩沖器寫(xiě)和讀相互不沖突時(shí)，同步FIFO 緩沖器產(chǎn)生讀請求，讓Avalon 主端口向Avalon 總線(xiàn)發(fā)起讀傳輸，從總線(xiàn)上獲取的數據將寫(xiě)入同步FIFO 緩沖器，顏色處理器從FIFO 中讀取像素值，并且傳給LCD 顯示模塊。

　　3 Modelsim 仿真與測試

　　1）Avalon 從端口仿真與測試

　　由圖2 可知，從端口一位地址對應一位數據。當寫(xiě)信號有效時(shí)，將數據寫(xiě)入相應的寄存器；當讀信號有效時(shí)，對應寄存器地址將數據輸出。通過(guò)從端口數據寫(xiě)入來(lái)控制LCD 模塊，控制LCD 讀取圖像的首地址和讀取數據的長(cháng)度。

　　圖2 從端口仿真波形圖