（信号与信息处理专业论文）基于nios+ii的智能液晶终端系统设计.pdf

intelligent lcd terminal system design based on nios ii a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wu lina supervised by prof. zhang ling major: signal and information processing college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china april, 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 液晶显示器(lcd)由于其功耗低、体积小、重量轻等许多其他显示器无法比拟 的优点，被广泛应用于工业控制和消费电子等领域。液晶显示器越来越多地成为 各种仪器仪表和测控系统中的人机交互界面和显示模块。控制液晶显示器在硬件 设计和软件编程上都具有较大的难度，而且用点阵来操作字符和图形的显示也是 一件非常烦琐的工作。目前国内外已有很多公司开发出液晶控制芯片。但是，各 公司生产的液晶控制芯片只适用于自己公司生产的液晶显示屏，针对性比较强， 可移植性差，成本较高，不利于在低成本民用产品中广泛使用，给液晶显示产品 的开发带来了诸多不便。因此开发出具有通用接口的液晶显示系统具有现实意义。 本课题立足于液晶显示产业高速发展的现实，结合目前液晶显示控制器的现 状，设计出基于 nios ii 的智能液晶终端系统。该系统以 altera 公司的 fpga 为核 心， 结合 320 240 tft lcd 组建了硬件平台。 课题设计了具有可移植性的 lcd 控 制器 ip 核，在 fpga 内部构建基于 nios ii 的嵌入式系统，在 nios ii 上软件编程， 实现智能液晶终端系统的字符、图形、图片显示和屏幕数据实时存储等多种功能。 由于硬件平台利用 fpga 作为整个设计的核心，因此该系统设计方案灵活，体积 小、成本低、可移植，适用于多种电子产品的开发。另外，通过对 bresenham 画 圆算法的改进，生成了一种新的四点画圆算法，该算法在保证原有画圆精度的前 提下大大提高了画圆速度。 最后的验证表明，本课题设计的智能液晶终端系统成功完成了各项预定功能， 二次开发者只需通过串口发送指令的方式就能在该系统上设计出丰富的图形界 面，大大节省了专业产品开发的时间。 关键词：关键词：智能液晶终端，nios ii，fpga，四点画圆算法 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract liquid crystal display (lcd) is widely used in industrial control and consumer electronic fields because of its incomparable advantages such as low power consumption, small volume, and light weight etc, which are beyond many other displays. lcd increasingly becomes the man-machine interface and display module of all sorts of instrumentation, measurement and control system. controlling lcd has a very great difficulty in whether the hardware or software programming and using dot matrix to operate display of characters and graphics is also a very complicated work. at present there are many companies that develop lcd control at home and abroad. however, the firms which product the lcd control chip is only applicable to your firm, provided to sex is strong, high and low cost against the civilian products widely used, the lcd display products to the development much inconvenience. therefore develop a common interface lcd display system has the real meaning. this subject is established in high development of liquid crystal display industry now，and the lcd display control of the status quo, also intelligence lcd terminal system based on nios ii. intelligent lcd terminal system takes fpga of altera company as centre, combining 320 by 240 tft lcd set up hardware platforms. the subject to control the lcd ip in the establishment of an embedded system based on nios ii, the software nios ii programming, to realize the intelligent lcd terminal system of characters, graphic display, and the serial communication of functions. because of hardware platforms fpga takes the design of the core of the system as design scheme, small volume, low portable, applies to many kinds of electronic product development. in addition, through improving the bresenham draw a circle of the method to build a new kind of four drawing a circle, which greatly increases speed of drawing circles, in ensure accuracy of circle. final verification indicates that the issue of intelligent lcd terminal system design successfully completed its due functions, the developers only through the serial port send instructions to the system who can design the graphical interface and save the professional development. key words: intelligent lcd terminal，nios ii, fpga, four points circle algorithm 重庆大学硕士学位论文 目 录 iii 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 论文的课题背景论文的课题背景 . 1 1.2 液晶显示器发展现液晶显示器发展现状状 . 1 1.3 论文的课题意义论文的课题意义 . 2 1.4 本文内容安排本文内容安排 . 3 2 sopc 技术与技术与 nios ii 软核处理器简介软核处理器简介 . 4 2.1 嵌入式系统嵌入式系统 . 4 2.2 sopc 概述概述 . 4 2.3 sopc 系统设计系统设计 . 5 2.3.1 nios ii 处理器 . 5 2.3.2 软核 . 7 2.3.3 avalon 总线规范 . 8 2.3.4 nios ii 处理器系统的外围设备 . 9 2.4 sopc 开发环境开发环境 . 10 2.4.1 quartus ii . 10 2.4.2 sopc builder .11 2.4.3 nios ii ide 简介 .11 2.5 sopc 系统开发流程系统开发流程 . 12 3 智能液晶硬件设计智能液晶硬件设计 . 15 3.1 系统总体设计系统总体设计 . 15 3.2 硬件设计硬件设计 . 15 3.2.1 nios ii 处理器 . 16 3.2.2 sopc 系统构建 . 17 3.2.3 锁相环 . 19 3.2.4 系统顶层图 . 19 3.3 液晶显示模块液晶显示模块(lcm) . 20 3.3.1 液晶显示器件介绍 . 21 3.3.2 lcm 工作原理 . 22 3.3.3 显示缓存设计 . 22 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 3.3.4 lcd controller 设计 . 22 4 智能液晶软件设计智能液晶软件设计 . 28 4.1 软件总体设计软件总体设计 . 28 4.2 系统初始化系统初始化 . 29 4.3 串口通信应用程序设计串口通信应用程序设计 . 30 4.3.1 字符通信指令格式 . 31 4.3.2 字符通信程序结构 . 31 4.4 字符操作模块设计字符操作模块设计 . 32 4.4.1 点阵字模 . 32 4.4.2 点阵字库 . 33 4.4.3 字库存储 . 35 4.4.4 中英文显示设计 . 36 4.5 图形操作模块设计图形操作模块设计 . 37 4.5.1 直线 . 37 4.5.2 圆 . 37 4.5.3 区域填充 . 40 4.6 图片显示模块设计图片显示模块设计 . 41 4.6.1 位图文件结构 . 41 4.6.2 位图存储 . 43 4.6.3 c 语言操作方法 . 43 4.7 其它功能模块设计其它功能模块设计 . 45 4.7.1 屏幕数据实时存储 . 45 4.7.2 中断控制 . 46 4.7.3 光标控制 . 47 5 系统验证分析系统验证分析 . 48 5.1 验证平台简介验证平台简介 . 48 5.2 验证结果及分析验证结果及分析 . 48 5.2.1 串口通信 . 48 5.2.2 图片及数学图形显示 . 49 5.2.3 字符显示 . 50 5.2.4 实时数据存储 . 50 5.3 小结小结 . 51 6 总结与展望总结与展望 . 52 致致 谢谢 . 53 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 参考文献参考文献 . 54 附附 录录 . 56 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 . 56 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 本章从介绍液晶显示器和智能液晶的发展概况和市场现状入手，分析了智能 液晶的整体趋势和发展要求，给出了本课题的研究背景、国内外概况，同时说明 了课题的研究意义和主要任务。在本章的最后，给出了论文的主要内容及章节安 排情况。 1.1 论文的课题背景 液晶显示屏（lcd）由于显示直观，设计灵活，能够显示数字、汉字和图形 等特点被广泛用作各种便携式系统的前端，现已成为嵌入式设备中不可缺少的外 围接口器件之一1。另外，lcd 还广泛应用于电子设备和控制领域中，成为人机 对话和显示测量结果的重要工具。 从 1888 年材料液晶态的发现，到 1976 年夏普的第一个液晶显示器件的诞生， 再到目前大屏幕液晶电视的出现并成为市场主导，液晶的研究从未间断。液晶显 示产品遍布我们生活的每个角落。简单的计算器、家用电器、测量仪器的显示屏、 电视机屏幕、电脑显示器、液晶窗帘、车载显示器件、消费电子产品等都离不开 液晶显示技术的支持。 随着信息化的发展，基于 nios 的嵌入式系统开发成为当前研究的热点，它具 有成本低廉、设计灵活、可裁减、可扩充以及软硬件在系统可编程的特点。将 nios 技术应用于液晶显示平台，更适合便携式系统的要求，体积更小，对 lcd 不只是 进行简单的控制， 而可以实现其它的系统功能， 使得系统设计具有较强的伸缩性2。 本课题就在这样一个背景下产生了。 1.2 液晶显示器发展现状 液晶显示器于 1968 年诞生在美国，之后液晶显示技术得到了飞速发展。从最 初的扭曲阵列液晶显示器(tn-lcd)到超扭曲阵列液晶显示器(stn-lcd)再到薄膜 晶体管液晶显示器(tft-lcd)，液晶显示器的各项技术指标不断提高，显示效果也 不断得到改善。 tn/stn 技术发展相对成熟，应用领域比较广泛，但是随着液晶显示技术的不 断升级，tft 技术逐渐占据了主流地位 3。进入 3g 时代，随着对动态影像传输、 无线上网的普及，人们对手机面板的分辨率、色彩丰富及动态影像的显示能力提 出更高的要求，但是由于 cstn 的反应速度需要 200ms，不适合显示多媒体影像， 使得 cstn 在 3g 时代的应用受到了限制。tft-lcd 则具有显示高品质、色彩丰 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 富、 反应速度快、 动态显像能力强等优势， 在技术上完全可以满足 3g 的应用要求， 成为液晶显示屏的主流技术。 lcd 按其功能可以分为字符式、段位式和点矩阵式。其中字符式和段位式只 能够用于简单的数字和字符显示，却不能满足汉字和图形曲线显示的需要，而点 阵式 lcd 则弥补了它们的缺点和不足，并且还能够实现其它的一些屏幕功能。 2008 年，随着消费类电子产品市场规模的不断扩大，中小尺寸液晶面板的应 用领域不断扩展，单反相机、数码相框和导航设备成为中小尺寸液晶面板的新兴 应用领域。导航设备经过了前期的市场培育，整体规模不断扩大，成为中小尺寸 液晶面板的主要应用领域之一。消费类单反相机成为市场新的增长点，市场规模 迅速增长，对中小尺寸 tft-lcd 面板需求增加。另外，数码相机和数码摄像机市 场的发展，带动了数码相框市场的发展，成为中小尺寸液晶面板的另一重要应用 领域。 相对于大尺寸液晶面板的生产来说，中小尺寸液晶面板生产线所需投入相对 较少，技术门槛也较低。从 2008 年起，中国中小尺寸 tft-lcd 面板投资比较活 跃，根据赛迪顾问统计数据显示，2008 年，中国中小尺寸液晶面板共出货 10.4 亿 片，同比增长 11.8%，出货额达到 83.5 亿美元，同比增长 4.6%3。 总而言之，液晶显示技术自发明以来，发展迅速。由于具有诸多优点，因此 有着广泛的应用前景。尤其是近年来，液晶显示式平板显示技术的发展更快，已 成为趋于成熟的高新技术。 1.3 论文的课题意义 液晶显示终端在日常生活和现代工业控制的各个方面有着广泛的应用。但是， 由于显示终端控制器在硬件设计和软件编程上的难度都非常大，而一般产品在功 能和使用方便上都很难满足用户的要求。现有的 lcd 时序控制芯片一般都由各个 生产和销售液晶显示屏的公司开发，因此针对性比较强。各公司生产的时序控制 芯片只适用于自己公司生产的液晶显示屏，这样会给开发电子产品带来诸多不便。 基于内置 lcd 控制器的 mcu 或 lcd 驱动专用控制芯片设计液晶图形显示系统， 存在着成本高、移植性差等缺点，不利于在低成本民用产品中广泛使用。 众所周知，开发液晶显示器的驱动电路有一定技术难度，而且用点阵操作来 显示中文和图形也是一件非常烦琐的工作。传统的外设操作使用 i/o 口方式，在 硬件工程中，需要设计与外设相连的 i/o 接口，在软件工程中，需要用户编写相应 的接口程序对外设进行初始化，设置相应的外设寄存器，这样的工作在每次新建 一个工程后，都得重复进行，大大增加了开发成本。但是，nios ii 却能克服这个 缺点，利用 altera 公司提供的组件编辑器(component editor)将设计好的液晶显示 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 器驱动程序与 nios ii hal(硬件抽象层)系统库集成在一起，形成 niosii 的接口组 件，这样在建立新工程时，只需将接口组件添加到系统就可以了，对组件的访问 也变得轻松，使得代码可重复利用4。 综上所述，开发一个具有自主知识产权的智能液晶终端不仅能带来极大的经 济效益和社会效益，而且能减轻大家的负担，避免重复性劳动，专心于专业产品 的开发。在考虑了这些实际问题的情况下，针对工业控制、仪器仪表和手持设备 常用的 320 240 点阵图形液晶显示模块， 本文将设计基于 nios ii 嵌入式系统的 智能液晶终端系统，系统内集成中英文汉字字库、数学图形、图片显示等功能， 用户使用该终端仅通过串口指令即可设计出丰富的图形界面，而不需要了解终端 内部 lcd 的显示原理。它将使用户大大减少开发工作中在设计图形液晶显示控制 模块上耗费的精力，缩短开发周期，从而使产品的总体成本降低，产品更具有市 场竞争力。 1.4 本文内容安排 本论文在绪论部分简要介绍了本研究课题的来源、液晶显示技术的发展和市 场概况，课题的研究背景和国内外相关领域的现状，课题的目标和意义，最后给 出了论文的章节安排。 第二章主要介绍 nios ii 开发的相关技术。 本章首先介绍了嵌入式系统的概念， 然后对 sopc 技术的相关知识作简单介绍，在此基础上对 sopc 开发的环境进行 了说明，最后给出 sopc 的开发流程。 第三章是智能液晶系统的硬件设计。主要讲述了 sopc 系统的构建和液晶显 示模块设计，其重点是液晶显示模块的 vhdl 设计以及 ip 核的生成。 第四章采用模块化结构分析了智能液晶系统的软件设计。首先从总体上给出 了软件设计的框架，然后分别阐述各功能模块的设计原理和流程，其中包括串口 通信设计、字符显示设计、图片及图形显示、在线存储屏幕数据等。在图形显示 设计模块中，对传统的画圆算法进行了改进，实现了一种新的四点画圆算法，提 高了 lcd 的画圆速度。 第五章是智能液晶终端的系统验证。首先给出该系统的验证方法，然后对系 统的串口通信、图片及图形显示、字符显示和实时数据存储功能等功能进行了验 证和分析。 最后一章是总结部分，主要对全文进行总结和进一步研究的展望。 重庆大学硕士学位论文 2 sopc 技术与 nios ii 软核处理器简介 4 2 sopc 技术与 nios ii 软核处理器简介 本课题需要学习掌握基于 nios ii 的 sopc 技术，从事基于 nios ii 的 sopc 系 统的软硬件系统设计，常用 sopc 系统模块的控制、测试、编程方法。本章简要 介绍系统的软硬件平台和相关技术。 2.1 嵌入式系统 嵌入式系统是一种要求严格的专用计算机系统，它以计算技术为基础，以应 用为中心，并且软硬件能够被裁剪来适应应用系统对于功能、体积、成本、功耗、 可靠性等。它具有专用性强，系统内核小，操作系统软件固化存储，系统精简等 特点5。 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，硬件包括处理器(cpu)、输入输出接 口、存储器和外部设备等，软件包括紧密联系的系统软件和应用软件。 嵌入式处理器分为硬核和软核，常用的嵌入式处理器硬核有 powerpc、arm、 intelx86 等，其中 eia 和 intel xscale 的嵌入式架构是嵌入式硬核处理器的 代表，普遍具有低功耗、高性能等特点和强大的网络通信能力、多媒体处理。其 嵌入式操作系统 embeded linux 和 windows ce 高效稳定，具有多用户、多任务的 图形操作环境，应用非常广泛。 嵌入式处理器软核以 altera 开发的第一代 nios 和第二代 nios ii 为主要代表。 nios ii 嵌入式处理器是一种采用流水线技术、 单指令流的 risc(reduced instruction setcomputing)，它的大部分指令都能够在一个时钟周期内完成。nios 和 nios ii 处 理器软核均是可配置的通用处理器，能够与用户自定义逻辑(user defined logic)结 合起来构成一个基于 fpga 的片上系统。32 位的 nios ii 软核结合大容量存储器以 及外部闪存，能够构成一个功能强大的 32 位嵌入式处理器系统。 2.2 sopc 概述 sopc 是 altera 公司提出的一种高效、 灵活的片上系统设计方案。 它将处理器、 i/o 口、存储器、cdr、lvds 等系统设计需要的功能集成到一个 pld(可编程逻 辑器件)上，从而构成一个可编程片上系统。它的实质就是 soc(system on chip)设 计技术，同其他的 soc 设计技术相比，sopc 的特点在于其可编程性，也就是说 它利用 cpld 或 fpga 器件的可编程性来进行 soc 设计。sopc 的主要思想是提 供一个 ip 库，设计者从 ip 库中选择组件来构建系统。但是大多数情况下，ip 库中 的基本组件根本不能满足系统设计需求，这就需要利用用户自定义逻辑来解决。 sopc 就提供了这样的功能，让设计者很容易将自定义逻辑组件加入到系统中。 重庆大学硕士学位论文 2 sopc 技术与 nios ii 软核处理器简介 5 sopc 是 asic 和 pld 技术融合的结果，代表着未来半导体产业的发展方向， 它既有 asic 的系统级芯片设计的特征，又有模板级设计的特征，是一种高效自动 化的可重构性设计方法。sopc 的基本特征主要有6： 系统的可编程设计、编译、下载和调试简单方便； 丰富的核资源，包括通用的核和专用核； 大量可编程重构的逻辑资源； 功能强大的时钟管理电路； 内置软核处理器、外设接口控制器、存储器； 支持多种接口标准。 sopc 是基于 fpga 的 soc 解决方案，与基于 asic 的 soc 解决方案相比， sopc 技术具有更多特色， 其构成方案的途径也有多种， 最主要的三种途径5如下： 基于 fpga 硬核的 sopc 系统 即在 fpga 中提前植入嵌入式系统处理器。现在最常用的嵌入式系统大多都 采用带有 arm 的 32 位硬核处理器，即以硬核的方式将 arm 或者其他 ip 核植入 fpga 中，利用其中的 ip 软核和可编程逻辑资源，以及逻辑宏单元来构成该嵌入 式处理器的接口功能模块，让系统功能更加强大，更为灵活完备，处理多任务更 具适应性。 基于 fpga 软核的 sopc 系统 第种途径将 ip 硬核直接植入到 fpga 有不完善之处，例如：设计者不能根 据实际需求去改变处理器结构；不能裁减处理器硬件资源；不能根据实际需求在 同一 fpga 中嵌入多个处理器核等。利用嵌入式软核处理器就能有效地克服以上 问题。现今最具有代表性的是 xlinx 公司的 micoblaze 和 altera 公司的 nios ii。 基于 hardcopy 技术的 sopc 系统 在保持 fpga 开发优势的前提下，altera 公司推出了一种叫做 hardcopy 的技 术，它引入了 asic 的开发流程，对 asic 市场形成了很直接的竞争。该技术利用 现有的 fpga 开发工具，通过特定的技术将在 fpga 器件上成功实现的 sopc 系 统向 asic 转化，克服了传统 asic 设计里存在的普遍问题。该方案是一种全新的 soc 级的 asic 设计解决方案， 它将 asic 的市场优势与大容量 fpga 的灵活性结 合起来，主要用在对成本敏感以及批量生产的电子产品上。 2.3 sopc 系统设计 2.3.1 nios ii 处理器 nios ii 软核处理器是 altera 公司的第二代 fpga 嵌入式处理器，基于片上可 编程系统，配以丰富的 ip 核，可以构成不同的智能系统。基于 nios ii 的 sopc 系 重庆大学硕士学位论文 2 sopc 技术与 nios ii 软核处理器简介 6 统硬件结构灵活、简洁，运算速度快，开发性价比高，能够广泛应用于控制、家 电、通信等众多领域。nios ii 处理器系统包含一个或多个 nios ii cpu、avalon 总 线结构和其他组件。 nios ii 处理器比第一代 nios 处理器的效率更高，性能更好。nios ii 核平均占 用的 fpga 资源不到 50， 而计算性能却增长了 l 倍。 nios ii 处理器性能超过 200 dmips， 采用 32 位数据和地址、 32 个外部中断源、 32 位指令和 32 位通用寄存器； 支持多达 256 个用户专用指令，使得设计者能够细致地调整系统的硬件来满足性 能要求。nios ii 处理器还支持 60 多个外设选项，设计者能够根据需要选择合适的 外设，获取最合适的处理器、外设和接口组合，而不必支付没有使用的硅片功能。 nios ii cpu 是采用改进哈佛存储器结构的 32 位结构可配置通用 risc 微处理 器，包含了五级流水线5。cpu 带有分离的程序和数据存储器总线控制，并且具 备中断处理和高速缓存功能。与传统的 cpu 相比，nios ii 指令系统能够通过标准 cpu 选项和自定义指令，利用硬件来提高系统性能。而且硬件加速操作非常有利 于 pld 中的处理器软核。 nios ii 的设计者可以在面积和速度间选择， 增加了 sopc 系统设计的灵活性。 nios ii 处理器包括如下功能单元： 自定义指令逻辑的接口；