基于FPGA的LCD驱动显示电路的设计与实现

论文题目论文题目 基于 FPGA 的 LCD 驱动显示电路的设计与实现 姓姓 名名 孙 涛 学学 院院 宝鸡文理学院 专专 业业 电子信息工程 指导教师指导教师 王 春 英 2012 年年 04 月月 1010 日日 基于 FPGA 的 LCD 驱动显示电路的设计与实现 作者姓名： 薛文平 指导教师： 田勇 单位名称： 嵌入式系统工程系 专业名称： 电子信息工程（集成电路设计与系统方向） 东北大学东软信息学院 2011 年 5 月 Design and Implementation of LCD Drive Display Circuit based on FPGA by Xue Wenping Supervisor: Lecturer Tian Yong Northeastern University Neusoft Institute of Information May 2011 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： 基于 FPGA 的 LCD 驱动显示电路的设计与实现 设计（论文）的基本内容：设计（论文）的基本内容： 本课题主要研究了利用 FPGA 来驱动字符型液晶显示器模块。课题关 键是对驱动芯片的各个引脚和时序进行控制。本系统开发环境为 Windows XP，开发语言为 Verilog HDL。设计的目的是为了在 LCD 液晶 显示器上显示任意大小写英文字符和阿拉伯数字，能根据输入数据的变 化同步变化 LCD 上显示的内容所有功能全部用硬件描述语言编程实现下 载到 Xilinx 公司的开发板上进行调整。完全可以取代传统的利用单片机 来驱动液晶显示，且比之有更好的抗干扰性，更高的可靠性。 毕业设计（论文）专题部分：毕业设计（论文）专题部分： 题目：题目： 设计或论文专题的基本内容：设计或论文专题的基本内容： 学生接受毕业设计（论文）题目日期学生接受毕业设计（论文）题目日期 第第 1 周周 指导教师签字：指导教师签字： 2010 年年 11 月月 30 日日 基于 FPGA 的 LCD 驱动显示电路的设计与实现 摘 要 本课题主要任务是设计基于 FPGA 的 LCD 驱动电路的设计和实现，兼顾好程序的 易用性，以方便之后模块的移植和应用。控制器部分采用 Verilog 语言编写，主体程序 采用了状态机作为主要控制方式。最后实现使用 FPGA 在 LCD 上显示任意的英文字符 和阿拉伯数字，另外要能根据输入数据的变化同步变化 LCD 上显示的内容。同时要能 将储存模块中的数据正常地显示在 LCD 上。 该课题的研究将有助于采用 FPGA 的系列产品的开发，特别是需要用到 LCD 的产 品的开发。同时可以大大缩短 FPGA 的开发时间。另外，由于模块的易用性，也将使 得更多的采用 FPGA 的产品之上出现 LCD，增加人机之间的交互性，为行业和我们的 生活带来新的变化。 本文中对 FPGA，LCD，ModelSim，Xilinx ISE8.2i 硬件设计工具等进行了简单的 介绍，对其功能进行了简单的描述，并了解了 LCD 液晶显示器的发展历史，日常应用 以及相对比于其他种类显示器的优缺点，并对基于 FPGA 的 LCD 液晶显示器驱动电路 未来的发展趋势进行了展望。 关键词：关键词：FPGA，LCD，状态机，Verilog Design and Implementation of LCD Drive Display Circuit based on FPGA Abstract In this project, the main object is to design a LCD controller based on FPGA, and at the same time emphasize on the convenience for the later application and migration.The program of the controller is written by Verilog language, and the main body of the program used state machine as the primary control method. displayed picture which was put earlier. In this project, I finally realized the following function. The first one is to display any English and figureon character any position of the display screen. The second one is the display information will instantaneously update as the input data changes. The research of this project will contribute to the developing process of those products which use FPGAs, especially those products also use LCD. And at the same time, it can reduce dramatically on the developing time. In addition, for the convenience of this controller, more and more FPGA based products will come out with LCD screen. This change will enhance the interaction between human and the machine, and bring innovation to the industry and our lives. In this project, FPGA, LCD, ModelSim, Xilinx ISE8.2 I hardware design tools simply introduces its functions were a simple description, and understanding the LCD monitor the development history, and relative everyday applications than in other types of monitor based on FPGA advantages and disadvantages, and the LCD monitor driver circuit future development trends are discussed. Key words:, FPGA, LCD, State Machine, Verilog 目 录 任务书I 摘 要 II ABSTRACT III 第 1 章 绪 论1 1.1 选题背景1 1.2 LCD 液晶显示器的发展现状1 1.3 选题目的3 第 2 章 关键技术介绍4 2.1 FPGA 简介4 2. 2 LCD 简介4 2.2.1 LCD 的简介4 2.2.2 TC 1602 液晶模块简介5 2.3 系统软件图 6 第 3 章 系统分析7 3.1 FPGA 的设计方法7 3.2 VERILOG HDL 和 VHDL 的异同 7 3.3 TC1602 液晶模块的工作方式8 3.4 系统开发环境11 3.5 系统任务的可行性分析12 第 4 章 系统设计13 4.1 系统概述13 4.2 系统的功能结构设计13 4.2.1 接口电路设计13 4.2.2 液晶模块的内部显示地址13 4.3 流程图和状态机的设计14 4.3.1 FPGA 向液晶显示屏控制芯片发送指令的流程图14 4.3.2 状态机15 第 5 章 系统实现17 5.1 系统硬件开发环境介绍17 5.2 系统的实现17 5.2.1 电路图17 5.2.2 系统主程序代码节选19 第 6 章 系统测试23 6.1 系统测试23 6.1.1 仿真波形23 6.2 对 TC1602 液晶显示器进行 FPGA 验证 23 第 7 章 结 论24 参考文献25 致 谢27 第 1 章 绪 论 1.1 选题背景 本课题主要任务是设计基于 FPGA 的 LCD 驱动显示电路的设计与实现。兼顾好程 序的易用性，以方便之后模块的移植和应用。最后在 FPGA 上的任意位置显示任意的 英文和数字，另外要能根据输入数据的变化使 LCD 液晶显示器上显示的内容产生变化。 本课题的研究有助于采用 FPGA 的系列产品的开发，特别是需要用到基于 FPGA 的 LCD 产品的开发。同时可以大大缩短 FPGA 的开发时间。增加人机之间的交互性，为 行业和我们的生活带来新的变化。 FPGA 是 FieldProgrammable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 GAL、CPLD、PAL 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了原有可编程器件门电路数有限 的缺点，又克服了定制电路的不足。 我们平时所说的 LCD，它的英文全称为 Liquid Crystal Display，直译成中文就是液 态晶体显示器，简称为液晶显示器。液晶是一种几乎完全透明的物质。它的分子排列 决定了光线穿透液晶的路径。到 20 世纪 60 年代，有人发现给液晶充电会改变它的分 子排列，造成光线的扭曲或折射，这个发现引发了人们发明液晶显示设备的念头。 1.2 LCD 液晶显示器的发展现状 早期的时候，技术还不成熟，LCD 液晶显示器主要被应用于电子表、计算器等领 域。 世界第一台真正意义上的液晶显示设备出现在 20 世纪 70 年代初，它被称之为 TN-LCD（扭曲向列）液晶显示器。虽然是用单色显示的方式，但它仍然被推广到了电 子表、计算器等领域。 和 TN 技术不同的是，TFT 的显示采用“背透式”的照射方式假想的光源路径 是从下向上，而不是像 TN 液晶那样从上至下。 光源路径设计成从下向上的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过 下偏光板向上透出。由于上下夹层的电极改变成为 FET 电极和共通电极，在 FET 电极 导通时，液晶分子的表现也会改变，可以通过使用遮光和透光的方法来达到显示的目 的，响应时间提高到 80ms 左右。 因为 TFT 具有比 TN 更高的对比度，更丰富的色彩和更快的荧屏更新频率，所以 TFT 俗称“真彩” 。相比较于 DSTN，TFT 的主要特点是给每个像素都配置了一个半导 体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲来直接控制，因而每个节点都显得更独 立，并可以连续控制。这样的设计方法不但提高了显示屏的反应速度，而且也可以精 确控制显示的灰度，这就是 TFT 色彩比 DSTN 更为逼真的原因。 2001 年以后 LCD 液晶显示器技术开始走上成熟发展之路、但仍然生存在 CRT 显 示器阴影下(CRT 直译中文为：阴极射线管，英文名称为 Cathode-Ray Tube)。 传统的 CRT 显示器的发展历程为从黑白到彩色和从球面到柱面再到平面直角最后 直至纯平的发展。在这段非常快速前进的历程中，显示器的视觉效果在跳跃性提高， 带宽、画质、分辨率、刷新和色彩率等各项指标均有非常大的提升。目前主流的纯平 显示器色彩真实，图像无扭曲，画面清晰，视角更广阔，而且在设计时还充分考虑到 了人类的视觉构造，好的纯平显示器在长时间使用之后，眼睛不会感到疲劳等一系列 优势。但是 同期的液晶显示器存在画面延时，色彩还远不够真实，可视角度削弱等缺 点，所以，在 2005 年以前，LCD 液晶显示器一直生活在 CRT 显示器的阴影下。 不过与此同时我们也对比看到 LCD 液晶显示器宽广的发展前景：可以说纯平显示 器是 CRT 显示器发展的最高水平，然而，由于 CRT 显示器的基本工作原理是依靠高 电压激发的游离电子轰击显示屏而产生各种各样的图像，技术已经十分成熟，没有太 多的发展余地。受限于此，传统 CRT 显示器在体积、重量、功耗等方面露出自己的劣 势。 当时，由于液晶面板厂商基本都是第三代以前的生产线，在切割 15、17 吋等主流 尺寸液晶面板的时候成本居高不下，所以，在那个年代，LCD 的售价也自然居高不下， 15 吋 LCD 液晶显示器售价达到 4000 元以上，和当时同样显示面积的 17 吋 CRT 显示 器 2000 多元的价格根本没有任何优势，所以，在那个年代，LCD 液晶显示器只是一些 奢侈玩家的摆设品。 经过 2003 年 LCD 液晶显示器大幅度调价，消费者发现 LCD 液晶显示器的价格与 CRT 显示器进一步接近了，尤其是大尺寸 LCD 液晶显示器的售价和同尺寸的 CRT 显 示器相比甚至有一些尺寸开始有优势。大家在关注液晶显示器的同时，开始注意到在 液晶显示器具备一些独特的优势。 1、大大提高桌面利用率 2、易于悬挂、拼接 3、接口更丰富、DVI 成为标准配置 4、分辨率更高，相同尺寸的可视面积更大 从 2003 年开始，各大显示器厂商开始意识到一个重要的问题，要提高 LCD 液晶 显示器的市场地位，他们当务之急是解决 LCD 液晶显示器拖影问题。所以，我们可以 注意到，LCD 液晶显示器响应时间技术从 2003 年开始飞速发展，从早期的 50ms 到 06 年的 1ms，这完全是一个质的改变。 2003 年以前，还是有很多 40 毫秒甚至是 50 毫秒的产品的，它们充其量只能应付 一些基本的文本办公，游戏应用根本无从谈起。不少早期的用户有这种体验，在 CRT 上玩惯魔兽之后，突然换成一台响应时间为 30ms 的 LCD 液晶显示器上进行游戏，感 觉自己操作以后技能和任务迟迟没有发生变化，这就是 LCD 液晶显示器早期被游戏玩 家严重诟病的一个地方。 1.3 选题目的 本课题主要任务是设计基于 FPGA 的 LCD 驱动电路的设计和实现，兼顾好程序的 易用性，以方便之后模块的移植和应用。最后在 FPGA 上显示任意的英文字符和数字， 另外要能根据输入数据的变化同步变化 LCD 液晶显示器上显示的内容。同时要能将储 存模块中的数据正常地显示在 LCD 液晶显示器上。 第 2 章 关键技术介绍 2.1 FPGA 简介 FPGA（FieldProgrammable Gate Array） ，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物；它是作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原 有可编程器件门电路数有限的缺点。 目前主流的 FPGA 依然是基于查找表技术的，它已经很大程度上超出了先前版本 FPGA 的基本性能，而且还整合了用户常用功能（如时钟管理、RAM 和 DSP）的硬核 （ASIC 型）模块。FPGA 芯片主要分成 6 个部分，他们分别是：基本可编程逻辑单元、 可编程输入输出单元、完整的时钟管理、丰富的布线资源、嵌入块式 RAM、内嵌的底 层功能单元和内嵌专用硬件模块。其的基本特点主要有： 1、FPGA 可以做为其它的半定制或全定制 ASIC 电路中的试样片。 2、采用 FPGA 设计的 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能够得到想要的芯片。 3、FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。 4、FPGA 的内部有非常丰富的触发器和 IO 引脚。 5、FPGA 是 ASIC 电路中开发费用最低、设计周期最短、风险最小的器件之一 2.2 LCD 简介 2. 2.1 LCD 的简介 LCD 显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 液晶显示器的构造是在两片平 行的玻璃之中放入液态的晶体，两片玻璃的中间含有很多垂直的和水平的细小电线， 通过为不同的液晶单元供电来控制杆状水晶分子方向的改变，将光线折射出来产生画 面。液晶显示器具备的一些独特优势： 1、大大提高桌面利用率 大屏幕液晶显示器轻薄的机身对提高桌面利用率是显而易见的。19 英寸的 CRT 显 示器其厚度普遍有 40cm 之巨，而当时相同尺寸的液晶显示器厚度不超过 4cm，大大节 约了桌面空间。随着双头输出显卡的普及，越来越多的用户需要同时使用两台显示器， 笨重硕大的 CRT 显示器显然不再适合，液晶显示器才是最佳对象。 2、易于悬挂、拼接 大屏幕液晶显示器大多数均设有 VESA 标准的悬臂接口，可以方便与各种各样的 悬臂支架配合应用在特殊的场合中，而液晶显示器特有的窄边框设计使其在拼接成屏 幕墙的时候更加完美。而 CRT 由于重量及外形原因，悬挂及拼接电视墙相对成本要高 很多，且效果并不理想。 3、接口更丰富、DVI 成为标准配置 传统的 D-Sub 模拟接口和数字化的 DVI 视频接口已经成为当时大屏幕液晶显示器 事实上的标准配置。大家不但可以通过数字化的视频接口享受无信号失真的干净画面 和操控的便利性，还可以通过传统 D-Sub 接口兼容旧显卡让两台主机共用同一台显示 器。多数大屏幕液晶显示器还配备了其它模拟视频输入接口和 3.5 毫米音频输入接口以 供多媒体应用，部分产品甚至还配备 USB Hub。而小屏幕液晶显示器由于产品普遍定 位较低和可供利用空间有限，只有在某些高端型号才配备部分上述接口。 4、分辨率更高，相同尺寸的可视面积更大 传统的 CRT 显示器分辨率普遍要比同尺寸的液晶显示器要低，17 英寸 CRT 显示 器的分辨率普遍为 1024*768，而 17 英寸普屏 LCD 液晶显示器支持 12801024，同时 它的可视面积相当于 19 英寸 CRT 显示器的可视面积。更高的分辨率可以在屏幕上显 示更多的资讯，即使以后观看 19201080 的 HDTV 节目源也不至于丢失太多的像素。 另外，更大显示面积令用户在欣赏电影时候不再只局限于一个视觉效果最佳的“皇帝位” ，即便是 23 人也能同时看到相同质量的画面。 2.2.2 TC 1602 液晶模块简介 一、TC 1602 液晶模块是一种用 57 点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显 示的容量可以分为 1 行 16 个字、2 行 16 个字、2 行 20 个字等，最常用的为 2 行 16 个 字。 TC 1602 液晶模块的一些主要技术参数： 1、逻辑工作电压（VDD）：+4.5 +5.5V 2、LCD 驱动电压（VDD - VL）：+4.5 +13.0V 3、工作温度（Ta）： 0 60C（常温）/-20 75 C（宽温） 4、工作电流： 2.0mA 5、屏幕视域尺寸： 62.5 16.1mm 二、TC 1602 字符液晶模块特点 1、可与 8 位或者 4 位微处理器直接连接； 2、内置字符发生器 ROM 可提供 160 种工业标准字符，包括全部大小写字母、阿 拉伯数字及日文片假名，以及 32 个特殊字符或符号显示； 3、内置 RAM 可根据用户需要，自行设计定义字符或符号； 4、+5V 单电源供电； 5、低功耗。 2.3 系统软件 软件开发环境是利用 Xilinx 工具，Xilinx 工具是世界领先的可编程逻辑完整的解 决方案的供应商，研发，制造并且销售应用范围广泛的高级集成电路，软件设计工具。 并且，能够定义系统级功能的 IP 核（Intellentual Prorerty） ，Xilinx 工具长期以来一直致 力于推动 FPGA 产业技术的更新和发展。Xilinx 开发工具不断地升级，由早期的 Foundation 系列逐步发展到如今目前的 ISE9.1i 系列，工具集成了 FPGA 开发板所需要 的所有功能，此次项目设计我所采用的是 Xilinx ISE8.2i 硬件设计工具。相对容易使用 而且有着独一无二的 PLD 设计环境。Xilinx ISE8.2i 硬件设计工具将先进的技术与灵活 性，方便使用性的图形界面结合一起，使您在短时间设计出您想要设计的硬件设计。 Xilinx ISE8.2i，不管您经验如何，都是硬件设计新手的最佳选择工具。 Mentor 公司的 ModeSim 是业界最优秀最可靠的 HDL 语言仿真软件，它能够提供 简易的仿真环境，是业界唯一在单内核支持 VHDL 和 Verilog 混合仿真的仿真软件。 ModelSim 采用直接优化的编译技术，Tcl/TK 技术和单一内核仿真技术，使在编译仿真 时候速度快，编译的代码与平台关系无关，便于保护 IP 核，个性化的图形界面和用户 接口，全面支持 VHDL 和 Verilog 语言对 IEEE 标准的准确，除众多优势之外，它还能 够支持 C/C+功能调试和调用。 ModelSim 最大的特点是强大的调试功能，先进数据流窗口，可快速追踪到产生不 定或者错误状态的最终原因，性能分析工具帮助分析性能的上下瓶颈，加速仿真速率， 检查确保测试的完备性能，多种模式下的波形比较功能，先进的 Signal Spy 强化功能， 地址访问 VHDL 或者 Verilog 和 VHDL 混合设计中的最底层信号，并且支持加密 IP， 可与 Matlab 的 Simulink 的联合仿真功能。此外，ModeSim 的特点还有，RTL 级和门 级电路的优化，具有集成性能分析，对 SystemC 的直接编译可以与 HDL 任意混合。所 以说，它是目前世界上对系统级别硬件描述语言综合仿真工具最全面支持的工具。 第 3 章 系统分析 3.1 FPGA 的设计方法 一般用到的 FPGA 的设计方法有“自顶向下”和“自下而上”这两种。到目前为 止大规模 FPGA 设计经常所采用的设计方法是“自顶向下”的设计方法。所谓“自顶 向下”设计方法就是采用可以完全独立于芯片厂商以及他们的产品结构的描述语言， 在功能级设计上对设计的产品进行定义，然后再结合其功能仿真技术，最后确保对产 品的设计的正确性，在对其功能定义完成后，利用逻辑综合技术，把功能描述转换成 某一含有具体结构芯片的网表文件，输出最后要给厂商的布局布线器再进行布局布线。 布局布线的结果还可以返回同一仿真器，进行包括时序和功能的后验证，以此来保证 因为布局布线所带来的门延时和线延时不会影响到设计的性能。 “自顶向下”的优越性是比较显而易见的。第一，因为它的功能描述可以完全独 立于芯片结构，在进行设计的最初阶段，设计师完全可以不受芯片结构的约束，集中 全部精力对产品进行设计，因此可以避免了传统设计方法所带来的重新再设计风险， 在最大限度上缩短了设计周期。第二，设计的再利用得到了保证。目前的电子产品正 在向着模块化方向发展。所谓模块化就是对以往设计得成果进行修改、组合和再利用， 产生全新的或派生设计。而“自顶向下”的功能描述可与芯片结构无关。因此，可以 以一种 IP（Intelligence Property 知识产权）的方式进行存档，方便将来的重新利用。 第三，在设计规模上大大提高。简单的语言描述就可以完成复杂的功能，且不需要手 工绘图。最后，在芯片的选择上更加灵活。设计师可在较短的时间内采用所能见到的 各种结构芯片来完成同一功能描述，从而在设计规模、速度、芯片价格及系统性能要 求等方面进行平衡，选择最佳结果。目前最为常用的功能描述方法是采用均已成为国 际标准的两种硬件描述语言 VHDL 和 Verilog HDL。本课题使用的为 Verilog HDL。 3.2 Verilog HDL 和 VHDL 的异同 Verilog HDL 和 HDL 都是用于逻辑设计的硬件描述语言，并且都已成为 IEEE 标 准。VHDL 是在 1987 年成为 IEEE 标准，而 Verilog HDL 则是在 1995 年才正式成为 IEEE 标准。之所以 VHDL 比 Verilog HDL 更早成为 IEEE 标准，是因为 VHDL 是美国 军方组织开发的，而 Verilog HDL 只是从一个普通的民间公司的私有财产转化而来， 基于 Verilog HDL 的优越性，才成为的 IEEE 标准，因而有更强的生命力。 VHDL 其英文全名为 VHSIC HARDWARE DESCRIPTION Language，而 VHSIC 则是 Very High Speed Integerated CIRCUIT 的缩写词，译为甚高速集成电路，所以 VHDL 准确的中文译名为甚高速集成电路的硬件描述语言。 Verilog HDL 和 VHDL 作为描述硬件电路设计的语言，他们共同的特点在于：可 借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述、支持逻辑设计中层次与范围的描述、 能形式化地抽象表示电路的行为和结构、具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确 性、支持电路描述由高层到低层的综合转换、硬件描述与实现工艺无关(有关工艺参数 可通过语言提供的属性包括进去)、便于文档管理、易于理解和设计重用。 在这些共同点的基础上，Verilog HDL 和 VHDL 又各有其自己的特点。由于 Verilog HDL 早在 1983 年就已推出，至今已有近二十年的应用历史，因而 Verilog HDL 拥有更广泛的设计群体，成熟的资源也远比 VHDL 丰富。与 VHDL 相比 Verilog HDL 的最大优点是：它是一种非常容易掌握的硬件描述语言，只要有 C 语言的编程基础， 通过一段时间的学习，再加上一段实际操作，就可以掌握这种设计技术。但是掌握 VHDL 设计技术就比较困难。这是因为 VHDL 不是很直观，需要有 Ada 编程基础，一 般认为需要较长时间的专业培训，才能掌握 VHDL 的基本设计技术。目前版本的 Verilog HDL 和 VHDL 在行为级抽象建模的覆盖范围方面也有所不同。一般认为 Verilog HDL 在系统级抽象方面比 VHDL 略差一些，而在门级开关电路描述方面比 VHDL 强得多。 3.3 TC1602 液晶模块的工作方式 本课题中使用的 TC 1602 液晶模块采用标准的 16 脚接口，其引脚功能如下： 第 1 脚：VSS 为电源地，接 GND。 第 2 脚：VDD 为电源，接+5V 电源。 第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调节端，接地电源时对比度最高，接正电源时对 比度最弱，对比度过高的时候显示器上会产生“鬼影” ，在使用的时侯可以通过一个 10K 左右的电位器来调整其对比度。 第 4 脚：RS 为寄存器选择端，低电平时选择为指令寄存器，高电平时选择为数据 寄存器。 第 5 脚：RW 为读写信号线端，低电平时进行得是写操作，高电平时进行的是读 操作。当 RW 为高电平 RS 为低电平时可以读忙信号，当 RW 和 RS 共同为低电平时可 以显示地址或者写入指令，当 RW 为低电平 RS 为高电平时可以写入数据。如果不需 要读操作，那么该引脚可直接接地。 第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平转变为低电平时，液晶模块开始执行命 令。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 第 15 脚：BLA 背光电源正极(+5V)输入引脚。 第 16 脚：BLK 背光电源负极，接 GND。 TC 1602 液晶模块内部自带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）存储了 192 个 57 点阵字符，32 个 510 点阵字符。除此之外还有字符生成 RAM（CGRAM）512 字节，供用户自定义字符。如表 3.1 所示，这些字符有：大小写 的英文字母、阿拉伯数字、日文假名和常用的符号等，每一个字符都固定有一个的代 码相对应，例如大写英文字母“A”所对应的代码是 01000001B（41H） ，需要显示时 模块就把地址 41H 中所代表的点阵字符图形显示出来，就能在 TC 1602 液晶显示器上 看到字母“A” 。 表 3.1 CGROM 和 CGRAM 中字符代码与字符图形对应关系 TC 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 3.2 所示。它的读写操 作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 （说明：1 为高电平、0 为低电平） 指令 1：清显示。功能：送 20H“空代码”到所有的 DDRAM 中，清除所有显示 数据，并将 DDRAM 地址计数器（AC）清零，光标返回至原始状态，设置 I/D=H，AC 为自动加一的输入方式。 指令 2：光标复位。功能：不改变 DDRAM 中的内容，只将 DDRAM 地址计数器 （AC）清零光标返回到原始状态，若有滚动效果，撤销滚动效果，将画面拉回到 home 位。 表 3.2 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 指令 3：输入方式设置。功能：设置光标的移动方向，并且指定整体的显示有没有 移动，用来设置需要显示字符的输入方式，在计算机的读/写 DDRAM 或 CGRAM 后， 地址指针的修改方式，反映在效果上，写入字符画面或光标的移动。该子令的两个参 数位 I/D 和 SH 确定了字符的输入方式。 I/D 表示计算机读/写 DDRAM 或 CGRAM 后，地址的修改方式，也是光标的移动 方式： I/D=0：光标自右往左移动，AC 减一。 I/D=1：光标自左往右移动，AC 加一。 SH 表示在写入字符时，是否允许显示画面的滚动方式： SH=0：允许滚动。 SH=1：禁止滚动。 指令 4：显示开关控制。功能：该指令用来控制闪烁，光标及画面的开和关。有三 个状态位：B、C、D： B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁；C：控制光标的开与关，高 电平表示有光标，低电平表示无光标；D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示， 低电平表示关显示。 指令 5：光标或显示整体显示移位位置。功能： S/C 和 R/L 对应操作： 0 0：光标由右向左移动且 AC 减一。显示不动 0 1：光标由左向右移动且 AC 加一。显示不动 1 0：所有显示由右向左移动，光标跟随移动，AC 减一 1 1：所有显示由左向右移动，光标跟随移动，AC 加一 指令 6：功能设置命令。功能：设置接口数据位数以及显示模式。DL：高电平时 为 8 位数据接口模式，DB0 到 DB7 有效，低电平时为 4 位数据接口模式，DB4 到 DB7 有效。在这种模式下传送的方式为先告 4 位，后低 4 位。N：低电平时为单行显 示，高电平时双行显示 F：低电平时显示 5x7 的点阵字符，加光标，高电平时显示 5x10 的点阵字符，加光标。 指令 7： CGRAM 地址设置。功能：将 CGRAM 地址送入 AC 中。随后计算机岁 数据的操作是对 CGRAM 的读/写操作。 指令 8：DDRAM 地址设置。功能：将 DDRAM 地址送入 AC 中。N 为低电平时， DDRAM 范围为 80H 到 FFH，N 为高电平时，第一行 DDRAM 地址范围为 80H 到 BFH，第二行 DDRAM 地址范围为 C0H 到 FFH。 指令 9：读忙标志位及地址。功能：最高位（BF）为忙信号位，低 7 位为地址计 数器的内容。BF=1：内部正在执行操作，此时要执行下一指令需要等待，到 BF=0 在 继续执行。 指令 10：写数据。功能：写数据到 CGRAM 或 DDRAM。RS 为高电平，RW 为 低电平，为数据的写操作；RS 和 RW 均为低电平，为指令的写操作。执行写操作后， 地址自动加/减 1（更具输入方式设置指令） 。 指令 11：读数据。功能：从 CGRAM 或 DDRAM 读出 8 位数据。如果从 DDRAM 读数据，则执行读操作后，地址自动加/减 1（更具驶入方式设置指令） 。 其中，CLK、RST 分别是 50MHZ 时钟和复位输入信号，RST 低电平有效， RS、RW、E 和 data 分别为与液晶显示屏控制芯片连接的控制信号。RS 为寄存器选择 控制输出信号，当 RS 为低电平时，表示数据总线传输的是命令控制信号，当 RS 为高 电平时，表示数据总线传输的是数据信号；RW 为读/写控制输出信号，当 RW 为低电 平时，表示向液晶显示屏控制芯片写数据，反之，为读取数据；E 为读/写操作允许控 制脉冲输出信号，高电平有效；data 为数据信号。然后介绍一下 FPGA 向液晶显示屏 控制芯片发送指令的流程，上电后，必须传送给液晶显示屏控制芯片初始化命令，初 始化结束后，还要传输指定地址、计数器地址和显示字符的编码数据， 。接通电源后， FPGA 向液晶显示屏控制芯片发送指令的流程如下图所示。 3.4 系统开发环境 硬件配置：TC1602 液晶模块 操作系统： Windows xp 仿真工具：ModelSim 开发语言：Verilog 3.5 系统任务的可行性分析 在系统设计的过程中，要基于高级数字系统设计与验证的指导思想为设计方法， 首先要对本设计的算法实现有一个整体上的学习以及周边知识的了解，思想上保持统 一，实现整体框图设计，然后对流程图设计，以求最简化。再由流程图，准确提取出 数据通道和控制单元。在数据通道的提取中，规划出所需要的单元模块，模块之间链 接的关系。并且考虑最终生成系统的可行性。控制单元也是系统的一个重要组成部分， 控制单元可由状态机的转移来实现，要求合理控制各个状态的转移条件。控制单元生 成的数据发送到数据通道所需的信号，同时接收来自数据通道处理过的状态信号，到 达监控整个设计单元实现的过程。控制单元的控制信号由数据通道处理，把处理的结 果反馈给控制单元。数据通道电路主要由计数器，寄存器，RAM，比较器和 LCD。数 据通道主要实现根据控制单元送来的信号，生成对数据信号的判断。 第 4 章 系统设计 4.1 系统概述 本次项目所设计的系统是基于 FPGA 的 LCD 驱动显示电路的设计与实现，控制器 部分采用 Verilog 语言编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。最后实现使用 FPGA 在 LCD 上显示任意的英文字符和阿拉伯数字，另外要能根据输入数据的变化同 步变化 LCD 上显示的内容。同时要能将储存模块中的数据正常地显示在 LCD 上。 4.2 系统的功能结构设计 4.2.1 接口电路设计 TC1602 液晶显示模块可以和 51 系列单片机直接接口，下图为是 S51 增强型实验 板的液晶接口电路（图 4.1） P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P3.4 P3.5 P3.6 P1.0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RS RW E D0 BLK GUN VL BL A VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 14 15 16 VCC(+5V) 对比度 背光 R1 47 W 10K AT89S51LCD TC1602 图 4.1 接口电路设计 4.2.2 液晶模块的内部显示地址 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙 标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址， 也就是告诉模块在哪里显示字符，图 4.2 是 TC1602 液晶模块的内部显示地址。 图 4.2 液晶模块的内部显示地址 4.3 流程图和状态机的设计 4.3.1 FPGA 向液晶显示屏控制芯片发送指令的流程图 如图 4.3 所示，首先接通电源，发送功能控制字，如果等待时间大于 15 毫秒的时 候，重复发送功能控制字。之后发送模式控制字，发送成功后，再发送打开显示控制 字。发送初始化命令，发送成功