基于Nios在液晶屏和觸摸屏顯示實(shí)驗

1. 實(shí)驗內容

通過(guò)本實(shí)驗了解觸摸屏的觸摸原理和顯示原理，能夠在液晶屏上開(kāi)發(fā)應用。
本實(shí)驗要求：
1. 將存儲在Flash中的一幅圖像顯示在液晶屏上。
2. 將用戶(hù)在觸摸屏上觸摸的坐標顯示在8段數碼管上。

2. 實(shí)驗原理

2.1 液晶屏的基本原理

液晶顯示是目前最常用的顯示方式，無(wú)論是簡(jiǎn)單的黑白顯示還是高清晰度的數字電視，大量使用了液晶顯示。液晶屏的基本物理原理是：液晶分子在不通電時(shí)排列混亂，阻止光線(xiàn)通過(guò)；當液晶上加一定電壓時(shí)，分子便會(huì )重新垂直排列，使光線(xiàn)能直射出去，從而可以在液晶陣列上顯示不同的圖形。

本實(shí)驗使用的液晶屏分辨率為400×240，其控制芯片為ILI9326。對于液晶屏顯示的操作主要體現在對控制芯片ILI9326的操作上。

對ILI9326進(jìn)行的操作可以分為讀、寫(xiě)兩種操作，本實(shí)驗中主要用到寫(xiě)操作，在此簡(jiǎn)要介紹FPGA如何向ILI9326進(jìn)行寫(xiě)操作。具體到寫(xiě)操作又可以分為兩種操作模式：第一是對芯片ILI9326中寄存器的設置操作，第二是對ILI9326中存儲像素值的GRAM的操作。本實(shí)驗使用的液晶屏分辨率為400×240，一共有96000個(gè)像素點(diǎn)，而每一個(gè)像素點(diǎn)對應于一位16位寬的GRAM，也就是說(shuō)通過(guò)控制ILI9326內部的GRAM即可以控制液晶屏的顯示內容。

對ILI9326中控制寄存器的設置操作時(shí)序為：首先輸出寄存器的編號，然后輸出要向該寄存器寫(xiě)入的數據，其時(shí)序如圖 20-1所示。在nWR的上升沿和RS信號為低時(shí)FPGA向從設備ILI9326送出寄存器的編號，而在下一個(gè)nWR的上升沿和RS信號為高時(shí)FPGA輸出要寫(xiě)入數據。

圖20-1 設置控制寄存器時(shí)

對ILI9326中GRAM的寫(xiě)操作時(shí)序為：首先在nWR的上升沿和RS為低電平的時(shí)FPGA向ILI9326發(fā)送0202h，然后在nWR的上升沿和RS為高電平期間FPGA逐次向ILI9326發(fā)送需要顯示的圖像像素數據（圖 20 2）。在每寫(xiě)完一個(gè)圖像像素數據后，ILI9326內部的計數器會(huì )自動(dòng)加一，使下一個(gè)寫(xiě)入的數據對于下一個(gè)像素，以此類(lèi)推達到控制液晶屏顯示內容的目的。

圖20-2 寫(xiě)入需要顯示的圖像信號

2.2 觸摸屏的基本原理

觸摸屏（Touch panel）是可以接收觸頭等輸入訊號的感應式顯示裝置，當觸頭接觸了屏幕時(shí)，屏幕上的觸覺(jué)反饋系統就可以感應到觸頭接觸的位置。

從技術(shù)原理上，觸摸屏可以分為五類(lèi)：矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏、電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線(xiàn)技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏。其中矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏已退出歷史舞臺；紅外線(xiàn)技術(shù)觸摸屏價(jià)格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)生光干擾，曲面情況下失真；電容技術(shù)觸摸屏設計構思合理，但其圖像失真問(wèn)題很難得到根本解決；電阻技術(shù)觸摸屏的定位準確，但其價(jià)格頗高，且怕刮易損；表面聲波觸摸屏解決了以往觸摸屏的各種缺陷，清晰不容易被損壞，適于各種場(chǎng)合，缺點(diǎn)是屏幕表面如果有水滴和塵土會(huì )使觸摸屏變的遲鈍，甚至不工作。按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為四種，它們分別為電阻式、電容感應式、紅外線(xiàn)式以及表面聲波式。每一類(lèi)觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，要了解那種觸摸屏適用的場(chǎng)合，關(guān)鍵就在于要理解每一類(lèi)觸摸屏技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)。下面對實(shí)際中應用較多的電容和電阻式觸摸屏進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹一下。

1. 電容式觸摸屏　　

電容技術(shù)觸摸屏是利用人體的電流感應進(jìn)行工作的。電容式觸摸屏是是一塊四層復合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各涂有一層ITO（氧化銦），最外層是一薄層矽土玻璃保護層,夾層ITO涂層作為工作面，四個(gè)角上引出四個(gè)電極，內層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。 當手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶(hù)和觸摸屏表面形成以一個(gè)耦合電容，對于高頻電流，電容是直接導體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個(gè)很小的電流。這個(gè)電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過(guò)對這四個(gè)電流比例的精確計算，得出觸摸點(diǎn)的位置。

1. 電阻式觸摸屏

這種觸摸屏利用壓力感應進(jìn)行控制。電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬（透明的導電電阻）導電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層、它的內表面也涂有一層涂層、在他們之間有許多細小的（小于1/1000英寸）的透明隔離點(diǎn)把兩層導電層隔開(kāi)絕緣。 當手指觸摸屏幕時(shí)，兩層導電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器?？刂破鱾蓽y到這一接觸并計算出（X，Y）的位置。

而本實(shí)驗中使用的TSC2046是一種典型的電阻式觸摸屏，其采用的是逐次逼近型模數轉換器（SAR ADC），包含了采樣/保持、模數轉換、串口數據 輸出等功能。同時(shí)芯片集成有一個(gè)2.5V的內部參考電壓源、溫度檢測電路，工作時(shí)使用外部時(shí)鐘。TSC2046可以單電源供電，電源電壓范圍為 2.7V～5.5V。參考電壓值直接決定ADC 的輸入范圍，參考電壓可以使用內部參考電壓，也可以從外部直接輸入1V～VCC 范圍內的參考電壓（要求外部參考電壓源輸出阻抗低）。X、Y、Z、VBAT、Temp和 AUX模擬信號經(jīng)過(guò)片內的控制寄存器選擇后進(jìn)入ADC，ADC可以配置為單端或差分模式。選擇VBAT、Temp和AUX時(shí)應該配置為單端模式；作為觸摸屏應用時(shí)，應該配置為差分模式，這可有效消除由于驅動(dòng)開(kāi)關(guān)的寄生電阻及外部的干擾帶來(lái)的測量誤差，提高轉換精度。

其基本控制方式為：
首先通過(guò)SSI串行接口向TSC2046發(fā)送8位控制字（DIN），設置需要數模轉換的信號（X、Y、Z、VBAT、Temp和 AUX等）和精度等，延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期后可以通過(guò)SSI接口讀取相應的模擬信號數字化后的數數值，具體時(shí)序如圖20-3所示。

發(fā)送給TSC2046的8位控制字的設置方式可以根據具體情況進(jìn)行選擇。通過(guò)8位控制字可以選擇ADC的分辨率，即選擇是8位分辨率還是12位分辨率。當設置為12位分辨率時(shí)得SSI數字接口如圖20-3所示，而8位分辨率的傳輸時(shí)序基本類(lèi)似。

圖20-3 SSI數字接口時(shí)序

3. 程序設計

3.1 總體架構

整個(gè)程序有5個(gè)模塊構成，如圖 20 4所示： 1. TFT是頂層模塊，實(shí)例化各子模塊并連接各子模塊。 2. ping模塊主要負責液晶屏的控制與顯示。 3. touch模塊負責控制和讀取觸摸屏上面的坐標值。 4. data2disp模塊負責輸入鍵值的譯碼，因為要分別對X坐標和Y坐標進(jìn)行譯碼，而每一個(gè)坐標均需要2個(gè)七段數碼管，所以程序中使用了4個(gè)data_2_disp模塊。 5. U1模塊是PLL模塊，產(chǎn)生屏幕顯示所需要的10MHz和5MHz的時(shí)鐘。

圖20-4 程序總體架構

3.2 液晶顯示模塊ping (ping.v)

Ping模塊的基本思路為：首先對顯示控制芯片ILI9326進(jìn)行初始設置，然后將存儲在Flash內的圖像數據寫(xiě)入ILI9326中，將圖像顯示在液晶屏上。

該程序的接口主要分為兩個(gè)部分，一部分是液晶屏接口部分，另一部分是Flash接口部分。 Ping模塊的接口如下：

 
iRst         //全局異步復位iClk50       //全局時(shí)鐘 50Mhz//液晶屏接口oRst        //液晶屏異步復位oCs_TFT    //液晶屏片選信號，低電平有效，只有在片選信號有效時(shí)，//才能對液晶屏進(jìn)行操作oRs         //在對液晶屏控制芯片進(jìn)行配置期間，該信號用于區分數據線(xiàn)上是寄//存器編號還是要向該寄存器寫(xiě)入的數據oWr        //操作液晶屏控制芯片的時(shí)鐘信號，上升沿有效oData       //16位寬的數據線(xiàn)		//Flash接口FL_DQ		//Flash 數據接口FL_CE_N   //Flash片選信號FL_ADDR  //Flash地址信號FL_OE_N   //Flash輸出使能FL_WE_N	//Flash輸入使能FL_RST_N  //Flash復位FL_RY_BY  //Flash忙指示信號

Ping模塊中的主要狀態(tài)機為State，state的狀態(tài)轉移圖如圖 20 5所示。

圖20-5 ping模塊內的State狀態(tài)機

狀態(tài)機的跳轉主要由計數器counter來(lái)進(jìn)行控制。在counter的不同數值對應不同時(shí)間整個(gè)程序進(jìn)入不同狀態(tài)，具體跳轉條件見(jiàn)程序。

程序一共有3個(gè)狀態(tài)：WAIT、CONFIG和WRITEDATA：

WAIT狀態(tài)：有兩個(gè)可能程序處于WAIT狀態(tài)時(shí)間，第一是上電后需要延時(shí)，因為液晶屏點(diǎn)亮等操作需要對電容等充電，在上電后程序出WAIT狀態(tài)等待系統充電穩定。第二就是在配置ILI9326周期內，如果某些配置后同樣需要ILI9326穩定一段時(shí)間后才能接著(zhù)向下配置，此時(shí)程序也需要進(jìn)入WAIT狀態(tài)。

CONFIG狀態(tài)：當程序處于CONFIG狀態(tài)，程序從保存配置文件的內部ROM中讀取配置數據，對ILI9326進(jìn)行配置。配置內容參看文件displayData.hex。

WRITEDATA狀態(tài)：主要是在配置完成后，從FLASH內讀取待顯示的數據寫(xiě)入ILI9326的GRAM內，控制液晶屏的顯示內容。完成顯示數據的讀寫(xiě)后，程序進(jìn)入WAIT，直至手動(dòng)復位。具體程序如下所示：

 always@(posedge clk_sys) beginif(counter<=start_size + 1000) begin
			State <= WAIT;     //在start_size + 1000個(gè)時(shí)鐘周期內，為上電延時(shí)
			color <= 1'b0;
		end
		else if(
				      ((start_size + 1000<counter)&(counter<=start_size + 1008))
				      |
				      ((start_size + 1108<counter)&(counter<=start_size + 1150))
				      |
				      ((start_size + 2150<counter)&(counter<=start_size + 2182))
				      |
				      ((start_size + 3182<counter)&(counter<=start_size + 3184))
				      |
				      ((start_size + 4184<counter)&(counter<=start_size + 4189))
				      )			//Write_Register(0x00,  0x00000);
				beginState <= CONFIG;  //在start_size + 1000到start_size + 4190時(shí)鐘周//期內狀態(tài)在不停在WAIT和CONFIG之間跳轉
                 //而在處于CONFIG狀態(tài)時(shí)間，程序對液晶屏進(jìn)//行配置color <= 1'b0;
				end
				else if(
				   ((start_size + 1008<counter)&(counter<=start_size + 1208))
				   |
				   ((start_size + 1150<counter)&(counter<=start_size + 2150))
				   |
				   ((start_size + 2182<counter)&(counter<=start_size + 3182))
				   |
				   ((start_size + 3184<counter)&(counter<=start_size + 3184))
				   )		//delayms(20);//{time, 0010, ms);
				beginState <= WAIT; //在start_size + 1000到start_size + 4190時(shí)鐘周//期內狀態(tài)在不停在WAIT和CONFIG之間跳轉
                //而在處于WAIT狀態(tài)時(shí)間，程序在等待液晶屏//的延時(shí)動(dòng)作。
		      			color <= 1'b0;
				end
				else if( (counter > start_size + 4190) & (counter<All_Size)) beginState <= WRITEDATA;//在此期間程序從FLASH內讀取數據，//GRAM內寫(xiě)入數據color <= 1'b1;
				end
				else  begin
					State <= WAIT;//進(jìn)入最后的休眠狀態(tài)。
			   		color <= 1'b0;
				endend
		end
	end
	當處于CONFIG狀態(tài)時(shí)，程序從內部ROM（registerData）存儲器中讀取出配置文件，該ROM地址生成程序如下所示：always@(negedge clk_sys or negedge oRst)begin
	if(!oRst)
		address <= 7'b0;
	else if(State == CONFIG)//處于CONFIG狀態(tài)，ROM地址自動(dòng)增加
		address <= address + 1'b1;
	else
		address <= address;		end 
Flash接口時(shí)序控制程序如下所示：assign FL_WE_N = 1'b1;    //實(shí)驗僅僅需要讀取Flash，所以該信號一直拉高assign FL_RST_N = iRst;    //Flash復位信號assign FL_CE_N = 1'b0;     //片選信號總是有些assign FL_OE_N = 1'b0;     //讀輸出總是有效
	而當程序處于WRITEDATA狀態(tài)，也就是讀取存儲在FLASH內部的圖像數據向TFT屏寫(xiě)入的狀態(tài)時(shí)，其FLASH地址需要不斷增加，程序如下所示：always@(negedge flashclk or negedge oRst) begin //生成Flash地址信號 
		if(!oRst)	begin
			FL_ADDR <= 25'b0;
		end
		else begin if(color_d == 1'b1) // color_d 為color的一個(gè)時(shí)鐘延時(shí)，而color在WRITEDATA//狀態(tài)被拉低，也就是程序處于WRITEDATA狀態(tài)時(shí)//Flash地址自動(dòng)增加begin FL_ADDR <= FL_ADDR + 1'b1;
			end
			else
				FL_ADDR <= FL_ADDR;
		endend reg [7:0] FL_DQ_d;always@(negedge flashclk or negedge oRst) begin //讀取Flash信號
		if(!oRst)	begin
			FL_DQ_d <= 8'b0;
		end
		else
			FL_DQ_d <= FL_DQ;end

程序中有一點(diǎn)時(shí)序需要注意，那就是GRAM位寬為16位，而Flash的位寬為8位，所以讀取Flash的時(shí)鐘需要是寫(xiě)入GRAM的時(shí)鐘速率的兩倍。將讀取出來(lái)的兩個(gè)8位Flash數據合并寫(xiě)入GRAM內。

其對應的時(shí)鐘信號生成程序如下所示：

 //分頻以產(chǎn)生系統時(shí)鐘wire clk_sys;//5MHz	wire flashclk;//10MHz 
Pll U1(.inclk0(iClk50),
	.c0(flashclk),
	.c1(clk_sys));

3.3 觸摸屏touch模塊（touch.v）

觸摸屏touch模塊檢測觸點(diǎn)坐標的基本原理是：等待觸摸屏送出IRQ終端信號，在檢測到終端信號后，向觸摸屏控制芯片TSC2046寫(xiě)入控制字，在寫(xiě)入控制字后通過(guò)SSI接口讀取相應觸點(diǎn)的x、y坐標位置，并將坐標位置顯示在7段數碼管上。

觸摸屏主要有六個(gè)信號：CS、DCLK、DIN、BUSY、DOUT和IRQ，在檢測到中斷IRQ后，通過(guò)DOUT輸出控制字，然后通過(guò)DIN接收坐標位置；CS為片選信號，DCLK為訪(fǎng)問(wèn)時(shí)鐘；在輸出控制字后，觸摸屏置BUSY為高一個(gè)時(shí)鐘周期，表示觸摸屏正忙。 觸摸屏模塊touch的數據流如圖20-6所示。

圖20-6 觸摸屏程序框圖

Ping模塊的接口分兩部分：一部分是與觸摸屏控制芯片的接口，一部分是與顯示坐標數據的8段數碼管接口。與觸摸屏的接口如下：

 input 	IRQ;  	//觸摸屏產(chǎn)生的中斷信號，有觸摸時(shí)IRQ為低。input 	iBusy; 	//觸摸屏工作中指示信號，為高時(shí)表示觸摸屏忙。input 	Din;  	//從觸摸屏輸入到FPGA的坐標位置數據。output 	Dclk;	//接口時(shí)鐘。output 	Dout; 	//FPGA向觸摸屏發(fā)送的控制信號。output 	oCs; 	//觸摸屏片選信號。與顯示坐標數據的7段數碼管有關(guān)的引腳如下：                                                    
output [7:0]HEX_sel;	//七段數碼管片選信號線(xiàn)。output [7:0]HEX_seg;	//數碼管顯示的數據。

Touch模塊主要受狀態(tài)機State控制，其狀態(tài)轉移圖如圖 20-7所示。

圖20-7 觸摸屏程序狀態(tài)機

State有XCONFIG、XDATA、YCONFIG和YDATA4個(gè)狀態(tài)：

X_CONFIG狀態(tài)：對TSC2046進(jìn)行設置，以測試X方向的坐標。

X_DATA狀態(tài)：讀取TSC2046送來(lái)的X方向坐標值。

Y_CONFIG狀態(tài)：對TSC2046進(jìn)行設置，以測試Y方向的坐標。

Y_DATA狀態(tài)：讀取TSC2046送來(lái)的Y方向坐標值。

狀態(tài)機的狀態(tài)轉移由計數器counter來(lái)進(jìn)行控制。在初始時(shí)，State處于Y_DATA，而當IRQ被拉低期間，counter每個(gè)時(shí)鐘自動(dòng)增加，從而驅動(dòng)狀態(tài)機發(fā)生跳轉以讀取x、y坐標，并將坐標顯示在八段數碼管上。當觸摸屏受到觸發(fā)時(shí)IRQ信號被拉低，一般情況下拉低的周期足夠完成狀態(tài)機的跳轉（因為FPGA運轉很快，而人的操作則相對緩慢），完成坐標位置的讀寫(xiě)。具體程序如下：

  reg [2:0] state;
 reg [11:0] counter;
 always@(negedge Dclk or negedge iRst) begin
 	if(!iRst)
         counter <= 12'b0;
    else beginif(IRQ==1'b1)
		 counter <= 12'b0;
	 else					//在IRQ為低時(shí)，表示有觸摸，counter開(kāi)始工作。
         counter <= counter + 1'b1;  
		end
 end always@(posedge Dclk or negedge iRst) begin
	if(!iRst) begin
         state <= Y_DATA;
	end
	else begin
	      if((counter>=3000) && (counter < 3008))
	         state <= X_CONFIG;  //發(fā)送命令：讀取x坐標值
	      else if((counter >=3008) && (counter <3024))
	         state <= X_DATA;    //讀取x坐標值
	      else if((counter >=3024) && (counter <3032))
	         state <= Y_CONFIG;  //發(fā)送命令：讀取y坐標值
	      else
	         state <= Y_DATA; //讀取y坐標值
	endend

需要說(shuō)明的是，因為該接口時(shí)鐘為百K量級，所以觸摸屏程序的時(shí)鐘是通過(guò)內部觸發(fā)器產(chǎn)生，沒(méi)有統一到整個(gè)系統時(shí)鐘域內。

4. 運行結果

從SignalTap中觀(guān)測觸摸屏程序中讀取坐標值的信號如圖 20 8所示，其中在XCONFIG、XDATA、YCONFIG、和YDATA 有效期間，Din和Dout在Dclk時(shí)鐘控制下對TSC2046進(jìn)行配置和讀取。其中在XCONFIG有效期間程序向TSC2046發(fā)送的數據為8'b00011011，而在YCONFIG有效時(shí)程序向TSC2046發(fā)送的數據為8' b00011001。

圖20-8 運行結果

5. 演示程序文件說(shuō)明

6. 演示程序使用

演示設備：核心板、擴展板。

演示方法：首先需要用Nios將圖像“tft屏顯示圖像.bmp”燒到Flash中，起始地址為0x0。然后把程序下載到開(kāi)發(fā)板上之后，液晶屏上將顯示燒入的圖像。如果FLASH內沒(méi)有燒入圖像，液晶屏上將液晶花屏。用手指觸摸液晶屏，可以看到在8段數碼上顯示當前觸點(diǎn)的坐標值。