基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設計

摘要：通過(guò)對LCD1602／LCD12864顯示模塊控制時(shí)序和指令集的對比分析，利用Verilog HDL描述語(yǔ)言完成了多功能LCD顯示控制模塊的IP核設計，所設計的LCD顯示控制器具有很好的可移植性，只需通過(guò)端口的使能參數配置便可以驅動(dòng)LCD1602／LCD12864模塊實(shí)現字符或圖形的實(shí)時(shí)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

在許多嵌入式系統應用領(lǐng)域，都需要友好的人機信息界面，傳統的數碼管或者發(fā)光二極管顯示方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)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(cháng)、顯示信息量大、超薄等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于智能儀器、儀表等各種便攜式電子信息產(chǎn)品上來(lái)實(shí)現數字、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)應用廣泛，但是這種控制方式會(huì )占用處理器資源、速度慢、實(shí)時(shí)顯示性能較差。其次，就是使用CPLD／FPGA開(kāi)發(fā)的獨立顯示控制器，這種純硬件結構的獨立顯示控制器，速度快、實(shí)時(shí)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，很難適應不同類(lèi)型的液晶屏及不同的顯示模式。
因此，文中就提出了一個(gè)基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設計方案，只需通過(guò)端口的使能參數配置便可以驅動(dòng)LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊實(shí)現字符或圖形的實(shí)時(shí)顯示，并在FPGA開(kāi)發(fā)板(EP2C5T144C8)上進(jìn)行了該設計的可行性驗證。

1 多功能顯示控制器的端口設計
要設計能夠驅動(dòng)LCD1602／LCD12864兩種液晶模塊的多功能顯示控制器，就必須同時(shí)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(gè)、5x7的點(diǎn)陣字符，模塊的字模存儲器CGROM(Chara cter Generator ROM)中固化192個(gè)常用字符的字模，另外還有8個(gè)允許用戶(hù)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(gè)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模塊是一種內部含有國標一級、二級簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣型圖形液晶顯示模塊；具有串／并多種接口方式，內置了8 192個(gè)16x16點(diǎn)漢字和128個(gè)16x8點(diǎn)ASCⅡ字符集，它在字符顯示模式下可以顯示8x4個(gè)16x16點(diǎn)陣的漢字或16x4個(gè)16x8點(diǎn)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(gè)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(guò)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(復位端)端口，因此；可以完全按照LCD12864的端口要求來(lái)設計多功能LCD顯示控制器的端口；PSB和RST端口在驅動(dòng)LCD 1602模塊時(shí)閑置或懸空(也可以用來(lái)充當某些特殊LCD1602屏的電源開(kāi)關(guān)和背光開(kāi)關(guān)信號)。

2 多功能顯示控制器的操作時(shí)序
如果LCD12864液晶模塊工作在并口的數據傳輸模式(PSB=1、RST=1)下，就和LCD1602液晶模塊具有完全相同的控制時(shí)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(shí)序，LED模塊的讀／寫(xiě)操作時(shí)序由使能信號E完成：對讀／寫(xiě)操作的識別是判斷RW信號上的電平狀態(tài)；RS信號用于識別數據總線(xiàn)DB0～DB7上的數據是指令代碼還是屬于顯示數據，控制信號的操作時(shí)序如圖1所示。

在如圖1所示的操作時(shí)序圖形中，LCD模塊都給出了關(guān)鍵時(shí)間參數(不同廠(chǎng)商產(chǎn)品有差異)，一般要求數據讀寫(xiě)周期TC≥13μs；使能脈沖寬度TPW≥1．5 μs；數據建立時(shí)間TDSW≥1μs；數據保持時(shí)間TH≥20 ns；地址建立和保持時(shí)間(TAS和TAH)不得小于1．5μs，因此在多功能LCD顯示控制器IP核的設計中，必須設置有延時(shí)配置參數以滿(mǎn)足控制器的多種模塊驅動(dòng)調試。