王慶春，何曉燕，崔智軍

（1.安康學院 電子與信息工程系，陜西 安康 725000；2．安康學院 數學系，陜西 安康 725000）

在許多嵌入式系統(tǒng)應用領域，都需要友好的人機信息界面，傳統(tǒng)的數碼管或者發(fā)光二極管顯示方式已經不能滿足實際的顯示需求，而LCD1602/LCD12864液晶顯示模塊具有低壓微功耗、壽命長、顯示信息量大、超薄等顯著優(yōu)點，被廣泛應用于智能儀器、儀表等各種便攜式電子信息產品上來實現數字、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主要有兩種方式，首先是基于各種微處理器（8051/ARM/Nois II/SPCE061）的微程序控制方式[1-5]，這種軟件組態(tài)的LCD模塊控制技術應用廣泛，但是這種控制方式會占用處理器資源、速度慢、實時顯示性能較差．其次，就是使用CPLD/FPGA開發(fā)的獨立顯示控制器[3，6-7]，這種純硬件結構的獨立顯示控制器，速度快、實時顯示性能好；但是這種獨立顯示控制器可移植性差、功能單一，很難適應不同類型的液晶屏及不同的顯示模式。

因此，文中就提出了一個基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設計方案，只需通過端口的使能參數配置便可以驅動LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊實現字符或圖形的實時顯示，并在FPGA開發(fā)板（EP2C5T144C8）上進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LCD1602/LCD12864兩種液晶模塊的多功能顯示控制器，就必須同時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[1]，它可以顯示 16×2個、5×7的點陣字符．模塊的字模存儲器CGROM（Character Generator ROM）中固化192個常用字符的字模，另外還有8個允許用戶自定義的字符存儲器CGRAM（Character Generator RAM），可以用于少量的自定義圖形顯示（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、二級簡體中文字庫的點陣型圖形液晶顯示模塊[2-6]；具有串/并多種接口方式，內置了8 192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集，它在字符顯示模式下可以顯示8×4個16×16點陣的漢字或 16×4個 16×8點陣的西文（ASCII）字符；它也可以在圖形工作模式下顯示分辨率為128×64的二值化圖形，該模塊擁有1個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。

表1 LCD模塊的端口定義對比Tab.1 Comparison of LCD module port

通過表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的端口要求來設計多功能LCD顯示控制器的端口；PSB和RST端口在驅動LCD1602模塊時閑置或懸空 （也可以用來充當某些特殊LCD1602屏的電源開關和背光開關信號）。

2 多功能顯示控制器的操作時序

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序．這就要求多功能控制器產生的E、RW、RS控制信號具有正確的時序，LCD模塊的讀/寫操作時序由使能信號E完成；對讀/寫操作的識別是判斷RW信號上的電平狀態(tài)；RS信號用于識別數據總線DB0~DB7上的數據是指令代碼還是屬于顯示數據[4，6]，控制信號的操作時序如圖1所示。

在如圖1所示的操作時序圖形中，LCD模塊都給出了關鍵時間參數（不同廠商產品有差異），一般要求數據讀寫周期TC≥13μs；使能脈沖寬度 TPW≥1.5μs；數據建立時間 TDSW≥1 μs；數據保持時間TH≥20 ns；地址建立和保持時間 （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，必須設置有延時配置參數以滿足控制器的多種模塊驅動調試。

圖1 LCD模塊的操作時序圖Fig.1 Operating sequence diagram of LCD module

LCD12864和LCD1602液晶模塊都有自己一套嚴格用戶指令集[1-6]，用戶就是通過這些指令來初始化液晶模塊來選擇顯示模式，這就要求多功能的LCD顯示驅動器同時包含多種顯示模式的用戶配置指令，LCD12864和LCD1602液晶模塊字符、圖形顯示模式的初始化指令如表2所示，對于指令的解釋在此不再詳述。

表2 LCD模塊的初始化指令Tab.2 Initialization comm ands of LCD module

通過表2的指令對比可以看出兩種顯示模塊的字符顯示初始化指令完全一致，僅僅是顯示行的起始地址有所不同；這就需要在LCD多功能顯示控制器中設置參數跳轉，來根據模塊配置參數自動加載相應的行起始地址．而對于LCD模塊的圖形顯示模式需要用到擴展指令集，并且需要分成上下兩個半屏設置起始地址，上半屏垂直坐標Y：8’h80~9’h9F（32行），水平坐標X：8’h80；下半屏垂直坐標和上半屏相同，而水平坐標 X：8’h88。

3 多功能顯示控制器的狀態(tài)機設計

基于FPGA設計LCD顯示控制器，關鍵在于采用硬件描述語言設計有限狀態(tài)機（FSM）來控制LCD模塊的跳轉，文獻[6-7]中就是使用FSM實現了對LCD模塊的顯示控制，但是它們都是針對一種類型LCD模塊的某種顯示模式，不具有多模式的顯示控制能力．因此，多功能LCD顯示控制器的有限狀態(tài)機就需要設置更多的條件轉換，來實現多種控制模式，狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖如圖2所示。

圖2 多功能LCD顯示控制器的狀態(tài)轉換圖Fig.2 State transition diagram of multifunctional LCD controller

在圖2所示的狀態(tài)轉換圖中，系統(tǒng)上電后，首先完成持續(xù)大約0.1 s（根據時鐘頻率配置）的自動復位，然后才根據模塊的端口參數選擇不同顯示模式所對應的初始化命令．在狀態(tài)機中設置有初始化命令、起始行地址和屏顯示數據3條轉換路徑來適應LCD屏的工作狀態(tài)，同時也在關鍵轉換路徑上設置有可以配置的延時循環(huán)，這樣既能方便LCD模塊的工作調試，又能使LCD模塊一直工作在寫屏模式（RW=0）．對于LCD屏的顯示數據存儲可以完全采用FPGA內嵌的ROM/RAM單元實現，如果使用雙口RAM（存儲器讀寫獨立）就能實現LCD模塊的動態(tài)實時顯示。

4 多功能顯示控制器的設計驗證

使用康芯KX7C5T FPGA開發(fā)板 （Altera Cycle II EP2C5T144C8）、KB12864KZK、RT1602C 和 4×4 鍵盤組成多功能LCD控制器的硬件測試平臺；設計項目經過Quartus II 9.1開發(fā)工具的工程編譯和芯片下載配置后得到的實際顯示效果圖如圖3所示，其中圖3（a）是LCD1602模塊的字符顯示效果圖；屏的第1行顯示靜態(tài)字符，第2行實時顯示鍵盤輸入鍵值。圖3（b）是LCD12864模塊的中西文混合字符顯示效果圖，第4行也是實時顯示鍵盤輸入鍵值。圖3（c）是LCD12864模塊的靜態(tài)圖片顯示效果圖 （ROM存儲）；圖3（d）是LCD12864模塊的實時動態(tài)圖形顯示效果圖 （雙口RAM存儲），這是用多功能LCD顯示控制器實現的邏輯分析儀界面。

5 結 論

文中設計的多功能LCD顯示控制器，在FPGA開發(fā)板上的驗證結果表明，它完全具有能夠驅動LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊顯示字符和實時顯示圖形的功能；并能夠通過端口參數配置而實現控制器的系統(tǒng)移植。

圖3 多功能LCD顯示控制器的測試效果圖Fig.3 Test results of multifunctional LCD controller

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