邏輯分析儀測試在基于FPGA的LCD顯示控制中的應用

邏輯分析儀測試在基于FPGA的LCD顯示控制中的應用

摘要：邏輯分析儀作為基礎儀器，應該在基礎數字電路教學(xué)中得到廣泛應用。本文介紹了基于FPGA的液晶顯示控制設計方案，通過(guò)使用OLA2032B邏輯分析儀，對控制線(xiàn)進(jìn)行監測與分析，保證設計方案的準確性，或者在設計出現問(wèn)題時(shí)，快速定位和解決問(wèn)題。結果表明，邏輯分析儀在數字電路的設計、調試和分析中，起著(zhù)很重要的作用。

關(guān)鍵字：LCD；邏輯分析儀；總線(xiàn)分析；觸發(fā)

一、引言

邏輯分析儀是數字設計驗證與調試過(guò)程中公認最出色的工具，它能夠檢驗數字電路是否正常工作，并幫助用戶(hù)查找并排除故障。邏輯分析儀的主要特點(diǎn)是能夠同時(shí)觀(guān)察多個(gè)信號；能夠按高低電平、升降沿等模式觸發(fā)多條信號線(xiàn)，并查看結果。在基礎教學(xué)實(shí)驗室中，邏輯分析儀應該與示波器處于同等重要的地位，但示波器的身影隨處可見(jiàn)，邏輯分析儀多數是紙上談兵，而且隨著(zhù)很多仿真軟件的成熟，設計人員在計算機上便可以觀(guān)察被控器件的輸出信號，這樣在教學(xué)實(shí)驗室中，就回避了價(jià)格昂貴、操作繁瑣、不易維修的邏輯分析儀，但軟件仿真與硬件輸出有時(shí)會(huì )有一定的差距，這就會(huì )造成設計結果與我們預想的結果不同，而且很難查找其原因，這就需要我們觀(guān)察硬件電路輸出的控制信號。本文針對邏輯分析儀的使用，主要介紹了OLA2032B獨立臺式邏輯分析儀在EDA實(shí)驗教學(xué)中的一個(gè)典型的應用——基于FPGA的液晶顯示控制設計方案。

二、LCD顯示控制原理簡(jiǎn)介

1、LCD的顯示控制原理

實(shí)驗的過(guò)程中使用了清華大學(xué)提供的EDA GW48-PK2教學(xué)實(shí)驗箱，主要使用其中的液晶顯示模塊，此液晶顯示器為HS12864-3型液晶顯示器，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅動(dòng)器和列驅動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，包含七種指令，讀寫(xiě)指令共用八路數據?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。

在實(shí)驗箱上，可以由FPGA直接控制LCD液晶顯示器，如圖1所示，FPGA保存子模，生成繪圖指令，并根據指令生成相應的時(shí)序，發(fā)送給LCD。LCD端的DDRAM控制器接收時(shí)序控制信號并將圖像顯示在液晶屏上。

液晶模塊的硬件構成如圖2所示，液晶屏被分為左右兩個(gè)區域，它是通過(guò)片選信號CS0、CS1選擇當前信號所控制的區域，讀寫(xiě)指令共用八路數據，通過(guò)幾根控制線(xiàn)完成液晶顯示器的讀寫(xiě)工作。該設備內置64×64位的顯示存儲器DDRAM，顯示屏上各像素點(diǎn)的顯示狀態(tài)與DDRAM中的數據一一對應，DDRAM的數據直接作為圖形顯示的驅動(dòng)信號。DDRAM中某一點(diǎn)的數據為“1”，則液晶屏上相應的像素點(diǎn)顯示；DDRAM中某一點(diǎn)的數據為“0”，則液晶上相應的像素點(diǎn)不顯示。圖2中，IC3為行驅動(dòng)器，IC1、IC2為列驅動(dòng)器，IC1、IC2、IC3中含有很多功能器件。

圖2 模塊主要硬件構成

通過(guò)控制DI、RW、E、CS1和CS2這五個(gè)信號管腳的電平并向數據總線(xiàn)上發(fā)送相應的數據，我們可以對液晶屏控制器進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作指令，如顯示開(kāi)關(guān)設置、顯示起始行設置、地址指針設置和數據讀/寫(xiě)等指令。這些指令可以分為兩類(lèi)，即顯示狀態(tài)設置指令和數據讀/寫(xiě)操作指令，根據控制指令表（表1）書(shū)寫(xiě)操作指令。

其中：D/I：數據/指令標志位，0表示數據總線(xiàn)上信號為指令，1表示數據總線(xiàn)上信號為數據；

R/W：讀/寫(xiě)標志位，0表示FPGA向數據總線(xiàn)上做寫(xiě)操作，1表示FPGA讀數據總線(xiàn)。

表1 液晶屏控制指令表

如圖3所示，在設計的過(guò)程中，讀寫(xiě)時(shí)序非常關(guān)鍵，為保證讀寫(xiě)操作的正確性，可用邏輯分析儀進(jìn)行調試，主要觀(guān)察信號的時(shí)序關(guān)系，以及讀寫(xiě)的數據值的正確與否。讀寫(xiě)時(shí)序有具體的時(shí)序參數要求，可以通過(guò)邏輯分析儀的測量功能，測量其中時(shí)間參數與讀取時(shí)序參數表對照，具體測量方法詳見(jiàn)下文。

圖3 讀寫(xiě)操作時(shí)序

2、設計思路

LCD顯示控制器設計要點(diǎn)：

1) LCD的讀寫(xiě)是一個(gè)連續的過(guò)程，需要設置好起始地址后連續的進(jìn)行寫(xiě)入，這需要一個(gè)狀態(tài)機來(lái)實(shí)現（LCD控制器）；

2) 向LCD發(fā)送指令之前需要確定LCD的狀態(tài)是否可以接收指令，即要先進(jìn)行讀狀態(tài)字的操作，這也需要一個(gè)狀態(tài)機來(lái)實(shí)現（LCD讀/寫(xiě)接口）。

3) HS12864-3液晶屏自帶DDRAM，讀寫(xiě)DB[7..0]實(shí)際上是和DDRAM交換數據。

4) 由于DDRAM為并行8位數據總線(xiàn)，為了發(fā)送數據盡可能簡(jiǎn)單，建議在LCD模塊中采用雙向8位RAM。

5) 不斷刷新128*64的每一像素的數據，但只需產(chǎn)生數據向雙向RAM中刷新。無(wú)需關(guān)心如何繪制到LCD上。

三、使用邏輯分析儀進(jìn)行調試

1、設計過(guò)程中出現的問(wèn)題

在實(shí)驗結果中發(fā)現LCD模塊每隔一段時(shí)間可能產(chǎn)生一些不穩定的因素，左半屏可能會(huì )不顯示，有時(shí)出現滾屏的現象，有時(shí)會(huì )在液晶顯示器上出現散點(diǎn)，或出現圖像混亂現象，如圖4所示。這種現象一般由于控制指令出現問(wèn)題，控制線(xiàn)與數據線(xiàn)的時(shí)序關(guān)系出現偏差，出現這種現象需要使用邏輯分析儀進(jìn)行調試。

圖4 液晶顯示的異?，F象

2、搭建實(shí)驗環(huán)境

基于以上問(wèn)題，需要我們搭建一套實(shí)驗環(huán)境，查找液晶顯示過(guò)程中可能出現的錯誤，實(shí)驗設備以邏輯分析儀為主，配備相應的測試附件，如果希望存儲實(shí)驗數據或者設置，還需要將邏輯分析與PC相連，利用邏輯分析儀的配套軟件，將所要的數據存儲下來(lái)。這樣便搭建了PC實(shí)時(shí)控制軟件＋OLA邏輯分析儀＋DUT待測設備的實(shí)驗環(huán)境。