基于fpga的嵌入式系统设计lcd显示控制器.docx

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基于fpga的嵌入式系统设计lcd显示控制器

北方民族大学

学士学位论文

论文题目:

基于FPGA的嵌入式系统设计---LCD显示控制器

北方民族大学教务处制

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

相比于其它终端显示设备，液晶显示器具有低压、微功耗、显示信息量大、体积小等优点，在移动通信终端、便携计算机、GPS卫星定位系统等领域有广泛用途，成为使用量最大的显示器件。

液晶显示控制器作为液晶驱动电路的核心部件通常由集成电路组成，通过为液晶显示系统提供时序信号和显示数据来实现液晶显示。

随着大容量可编程逻辑器件的不断涌现，FPGA技术越来越多地应用在大规模集成电路的设计中。

FPGA（FieldProgrammableGateArray）具有功能强大、集成度高、灵活性好、速度快、高稳定性和易于实现复杂逻辑功能等优点。

以FPGA为硬件编程语言来实现的LCD控制器，具有易于集成到片上系统、方便修改、适应不同液晶显示器的特点。

与传统嵌入式系统设计不同，Nios系统的开发分硬件开发和软件开发两个流程，SOPC是可编程技术发展到一定阶段的必然产物。

它作为SOC和PLD/FPGA相结合的一项综合技术，集合了两者的优点，适合于两者的应用领域。

现代社会，以计算机技术为核心的信息技术迅速发展，以及信息的爆炸式增长，人类获得的视觉信息很大部分是从各种各样的电子显示器件上获得的，对这些显示器件的要求也越来越高。

在这些因素的驱动下，显示技术也取得了飞速的发展。

使用FPGA/CPLD设计的液晶控制器具有很高的灵活性，可以根据不同的液晶类型、尺寸、使用场合特别是不同的工业产品，做一些特殊的设计，以最小的代价满足系统的要求，而且可以解决通用的液晶显示控制器本身固有的一些缺点。

本文利用VHDL硬件描述语言设计了液晶显示控制器，实现了替代专用集成电路驱动控制LCD的作用。

关键词：

LCD，FPGA，SOPC，Nios

ABSTRACT

Comparedtootherterminaldisplaydevice,LCDdisplayhastheadvantagesoflow-voltage,micropower,theinformationvolume.Itiswidelyusedasthemaximumuseofthedisplaydeviceinthemobilecommunicationterminal,portablecomputer,GPSsatellitepositioningsystems.LCDcontrollerforLCDdrivercircuitofthecorecomponentsrealizetheliquidcrystaldisplaybyprovidetimingsignalsanddisplaydataFortheliquidcrystaldisplaysystem.

Withhigh-capacityprogrammablelogicdevicescontinuetoemerge,FPGAtechnologyisincreasinglyusedinlargescaleintegratedcircuitdesign.FPGA（FieldProgrammableGateArray）ispowerful,highintegration,goodflexibility,speed,highstabilityandeasytoimplementcomplexlogicfunctionsandsoon.TheLCDcontrollerrealizedwithFPGA-hardwareprogramminglanguageiseasytointegratedtoaSoCsystemandmodifytoadapttodifferentcharacteristicsofliquidcrystaldisplays.

Itisdifferentwiththetraditionalembeddedsystemdesign,theNiossystemdevelopmentisdividedthehardwaredevelopmentandthesoftwaredevelopstwoflows,SOPCisthecertainoutcomeofprogrammabletechniquedeveloping.AsthetechnologyofSOCandPLD/FPGAcombined,integratedtheadvantagesofboth,adapttotheapplicationdomainofboth.

Modernsociety,informationtechnologybasedoncomputerhasarapiddevelopmentofinformationtechnologyandinformationhasanexplosivegrowth.Humanvisualinformationisobtainedmostlyfromavarietyofelectronicdisplaydevices,sotherequirementsofthesedisplaydevicesarealsoincreasing.Drivenbythesefactors,displaytechnologyhasmadearapiddevelopment.TheLCDcontrollerwhichusingtheFPGA/CPLDdesignisflexibility.Itcandosomespecialdesigntomeetthesystemrequirementsatminimumcostunderthedifferentcrystaltypes,sizes,theoccasionofdifferentindustrialproducts.ItcanalsosolvecommonLCDcontrollerinherentdrawbacks.

Inthispaper,weusetheVHDLhardwaredescriptionlanguage.ItcanreplacethespecificintegratedcircuittocontroltheLCD.

KEYWORDS:

LCD，FPGA，SOPC，Nios

前言

EDA技术及嵌入式系统已取得了巨大发展。

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。

而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

通过使用可编程逻辑器件，嵌入式系统开发商不但能提高系统的整体性能，而且能够从可编程逻辑器件原本就具备的开发时间短、上市快的特点受益。

嵌入式系统已深入应用到军事、生态环境监测、基础设施安全、医疗健康、工厂自动化、智能交通控制、智能居家、安全报警等领域。

人们80%的信息都是通过视觉获得的，一个良好的显示终端对人们获取信息十分重要。

而液晶显示技术逐渐成熟，已是型嵌入式设备显示终端的主流设备。

使用FPGA来设计一个嵌入式LCD显示控制器来进一步降低成本和功耗具有显著的实际意义。

在本设计中，主要设计了三个子模块，分频模块、LCD显示模块和执行指令模块。

设计的顶层模块将调用这三个子模块来实现LCD显示控制功能。

采用的是相对独立的VHDL语言，便于移植和修改。

使用模块化设计，降低了对目标硬件器件的依赖。

第一章绪论

1.1.重点研究对象

本课题通过对LCD显示控制器的VHDL设计，使学生熟练掌握用EDA的方法设计大型数字系统的能力，并通过下载可编程控制器件FPGA上实现设计功能。

本课题通过对LCD显示控制器的设计，在LCD模块上显示“WELCOMETODIANXUEYUAN”和“GOODLUCK”等字符，设计一个顶层模块然后在其下面建立3个功能独立的子模块，即分频模块、LCD显示模块和执行指令模块。

这3个子模块最后在顶层模块中被调用并装配在一起，共同完成要求。

分频模块

在接口电路中，时钟信号的作用至关重要。

一般FPGA的外部时钟信号可达几十兆赫，但是由于一些接口电路的特性所致，这样高频率的时钟不适合电路工作，所以应该引进时钟分频电路，产生频率适合接口电路的时钟信号，这样才能便于接口电路工作。

实现分频的方法主要有：

（1）偶数分频

对时钟进行偶数分频，使占空比达到50%很简单，只要使用一个计数器，在计数器的前一半时间里，实输出电平为高电平，在计数的后一半时间里，使输出电平为低电平，这样输出的时钟信号就是占空比为50%的时钟信号。

（2）奇数分频

与偶数分频相同，但是如果要求占空比为50%，则可以先对输入时钟的上升沿技计数，然后让一个内部信号在前一半时间里为低电平在后半段时间里为高电平，同时对输入时钟的下降沿进行计数，让另一个内部信号在前一半的时间里为高电平，后一半时间里为低电平。

然后让两个内部信号相与，则得到半个时钟周期的一个高电平，再让这个信号与另一个信号相或，就得到占空比为50%的输出时钟。

（3）非整数分频

若时钟源与频率不