基于FPGA的LCD控制器设计.docx

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基于FPGA的LCD控制器设计

本科毕业设计

基于FPGA的LCD控制器设计

【摘要】

本课题主要任务是设计基于FPGA的LCD控制器，兼顾好程序的易用性，以方便之后模块的移植和应用。

本课题的设计采用了带ST7920驱动的12864-12液晶模块，并使用Altera公司的cycloneII系列的EP2C5T144C8来作为核心的控制器。

控制器部分采用VHDL语言编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。

该控制器分为字符显示模块和图片显示模块两个主要部分。

在字符的显示功能上采用显示控制模块与字符调用RAM相结合的方式，使使用者能方便地调用液晶自带的字库来显示字符；而图片显示模块则通过特殊的处理算法解决了图像显示缓冲区X地址不断移位以及上下半屏分开的问题，通过读取图片ROM来显示图片。

最后实现使用FPGA在LCD上的任意位置显示任意的16*16像素的中文字符以及16*8的英文字符，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图片数据正常地显示在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。

【关键词】

12864-12，VHDL，LCD，FPGA，状态机

DesignoftheLCDControlModuleBasedonFPGA

【Abstract】

Inthisproject,themainobjectistodesignaLCDcontrollerbasedonFPGA,andatthesametimeemphasizeontheconvenienceforthelaterapplicationandmigration.Inthisproject,Iused12864-12LCDmodulewiththeST7920driver.Forthecontrollerpart,IchosetheCycloneIIserialFPGA,theEP2C5T144C8,whichdevelopedbytheAlteraCooperation.TheprogramofthecontrolleriswrittenbyVHDLlanguage,andthemainbodyoftheprogramusedstatemachineastheprimarycontrolmethod.InthisLCDcontroller,therearetwomajorparts,whicharethecharacterdisplaymoduleandthepicturedisplaymodule.ThecharacterdisplaymoduleputtheCharacterCallingRamandthedisplaycontrolmoduletogethertoenabletheusertocalltheembeddedcharacterlibraryeasilytodisplaytheinformationhe/sheneeded.Forthepicturedisplaymodule,themodule,throughspecificalgorithm,solvedtheproblemsthatthexaddressofthepicturedisplaybufferkeptsteppingforwardafterevery16timesandthedisplayscreenaredividedinto2sectionbythebuffer.Andthismodule,byreadingapictureram,displayedpicturewhichwasputearlier.

Inthisproject,Ifinallyrealizedthefollowingfunction.Thefirstoneistodisplayany16*16pixelsChinesecharacterand16*8pixelsEnglishcharacteronanypositionofthedisplayscreen.Thesecondoneisthedisplayinformationwillinstantaneouslyupdateastheinputdatachanges.ThelastfunctionisthatanygivenpicturedatacanbedisplayedproperlyontheLCDscreen.

TheresearchofthisprojectwillcontributetothedevelopingprocessofthoseproductswhichuseFPGAs,especiallythoseproductsalsouseLCD.Andatthesametime,itcanreducedramaticallyonthedevelopingtime.Inaddition,fortheconvenienceofthiscontroller,moreandmoreFPGAbasedproductswillcomeoutwithLCDscreen.Thischangewillenhancetheinteractionbetweenhumanandthemachine,andbringinnovationtotheindustryandourlives.

【KeyWords】

12864-12，VHDL，LCD，FPGA，StateMachine.

第1章绪论

1.1选题的背景与意义

液晶，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。

一般可分热致液晶和溶致液晶两类。

在显示应用领域，使用的是热致液晶，超出一定温度范围，热致液晶就不再呈现液晶态，温度低了，出现结晶现象，温度升高了，就变成液体；液晶显示器件所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。

液晶由于它的各向异性而具有的电光效应，尤其扭曲向列效应和超扭曲效应，所以能制成不同类型的显示器件（LiquidCrystalDisplay简称LCD）。

在平板显示器件领域，目前应用较广泛的有液晶（LCD）、电致发光显示（EL）、等离子体（PDP）、发光二极管（LED）、低压荧光显示器件（VFD）等。

　液晶显示器件有以下一些特点①低压微功耗，②平板型结构，③被动显示型（无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳），④显示信息量大（因为像素可以做得很小），⑤易于彩色化（在色谱上可以非常准确的复现），⑥无电磁辐射（对人体安全，利于信息保密），⑦长寿命（这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长，但是液晶背光寿命有限，不过背光部分可以更换）。

之前，一般流行采用单片机来控制驱动LCD。

采用单片机控制LCD的显示在设计上相对比较简单。

可以通过KEIL等软件的编写方便地控制LCD的图形以及字符的现实。

但是由于单片机的顺序执行结构。

决定了在现实图片或者字符的同时，单片机本身无法处理其他数据或者执行其他的运算命令。

这在某种程度上大大地降低了工作的效率。

而采用FPGA来控制LCD则不存在这个问题。

但是由于FPGA不像单片机，可以直接使用控制语句来方便地控制LCD。

因此需要编写大量的代码来控制LCD。

因为这个原因，采用FPGA的设计一般都会再一次通过单片机来驱动LCD的显示。

本课题主要任务是设计基于FPGA的LCD控制器，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16*16D的中文字符以及16*8的英文字符，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图片数据正常地显示在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得采用FPGA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。

1.2LCD的控制，应用和市场的发展现状

在技术方面，因集成式的控制芯片具有包括了缩小了IC的体积、低功率消耗、降低封装的成本、节省电路板的数量及体积等优点，并使材料成本及LCD后段组装成本得以降低，因此许多厂商纷纷朝向高集成度控制芯片发展，并积极开发视讯应用的控制芯片。

而最新趋势SmartPanel，在制程上则有简化流程、减少材料成本等优点。

根据相关资料显示，SmartPanel可降低约10%~15%的成本，这也是国外一些大厂所钟爱的方式。

为降低控制IC成本，众多IC厂商纷纷推出集成式的单芯片控制IC。

美国的Genesis最早推出集成式IC，将ADC、Scaler、OSD（内置菜单）与PLL（锁相环）为一颗单芯片控制IC。

接着更进一步集成入DVI组件，形成LCD双模控制IC。

其组件集成数量持续增多，并渐渐添加Video的功能。

当前Genesis最高集成度的产品，集成入的组件已经包括ADC、Scaler、PLL、OSD、TCON与DVI，仅剩Video的功能以及SDRAM的组件尚未集成。

随着市场竞争的加剧，液晶显示器厂商的成本压力越来越大，必须采用更简单的线路设计实现液晶显示器的功能，以期降低成本，才能在市场竞争中立于不败之地。

LCD控制IC必将向高集成度方向发展，以满足市场需要。

而在LCD的应用以及市场方面，虽然手机仍然是中小尺寸液晶显示屏（LCD）的最主要应用设备，但便携导航设备（PND）、数码相框和MP3/便携媒体播放器（PMP）等新型设备，正在该市场的销售额中占有越来越大的份额。

由于这些产品所使用的显示屏大于手机所用的显示屏，因此在供应商的工厂中同样需要更多的面板，这对于LCD面板生产商来说是个绝好的机会。

各种中小尺寸LCD的产能扩张和价格下降，促进了其应用领域的多元化。

这又进一步刺激了需求，并吸引许多其它产品来采用中小型LCD，如白色家电和零售标牌。

大多数行业内的公司认为，为了利用手机市场和新兴产品，中小尺寸显示屏供应商必须相应地平衡和调整策略，否则就可能错失整个市场。

导航设备

PND的主要功能是显示GPS信息，因此能否显示详细并准确地图影像非常关键。

这使得许多PND制造商把目光转向了更加精确的小型LCD。

这方面出现的需求促使iSuppli公司把2011年PND显示屏市场的出货量预测提高到了6,050万部。

2006年的出货量为1,080万部，2006-2011年出货量的年复合增长率是41.3%。

iSuppli以前预测2011年出货量是5,400万部。

尽管中小尺寸LCD价格下降，但2011年PND显示屏的营业额将从2006年的3.24亿美元上升到7.76亿美元，年复合增长率为19.1%。

2007年一年，PND显示屏销售额将比2006年的3.24亿美元增长近一倍，达到6.35亿美元。

媒体播放器

但PND不是推动中小尺寸显示屏市场繁荣的唯一消费电子产品。

MP3/PMP目前是使此类显示屏出货量增长最快的领域之一。

iSuppli公司预测，2011年底MP3/PMP单位出货量将达到2.05亿，而2007年预计为1.63亿。

这相当于2011年显示屏销售额将达到16亿美元，略低于2007年的17亿美元，这主要是因为中小型LCD价格随着产能扩张和制造工艺改进而不断下降。

推动显示屏单位出货量增长的因素包括：

①消费电子公司苹果和它的iPod产品线，以及距苹果最近的竞争对手紧追不舍，从而推动MP3/PMP市场整体增长。

②MP3音乐播放器变身进入了PMP领域。

有源矩阵LCD供应商正在紧盯这个市场，以防止AMOLED供应商染指。

③因为PMP是消费电子产业中增长最快的领域之一，而且随着更多的产品涌现，将需要更多的LCD来满足需求。

数码相框和便携DVD播放器等其它应用每年需要的显示屏越来越多。

这些应用需要较大的显示屏（约7.0英寸），因此它们的需求增长可能对产能分配和供需平衡造成较大的影响。

1.3课题的主要研究内容和重点、难点

1.3.1本课题主要研究内容和重点

本课题的主要内容是基于FPGA的LCD控制器的设计研究，并兼顾程序的易用性以方便以后模块的移植。

该课题设计到FPGA得应用，LCD驱动的研究，字符以及图像显示模式的研究等知识。

并利用QUARTUSII实现相关模块的设计，在FPGA上实现对LCD的控制，显示任意中文，英文和图像。

1.3.2本课题的主要难点：

1.12864-12的液晶模块指令集较为复杂，采用FPGA设计需要定义的变量和状态将会很多；

2.中英文字符的显示部分程序要考虑到程序的易用性，方便将来移植后的使用；

3.图形显示部分，由于12864-12内部图形显示GDRAM的地址寻址方式的独特性，并不是始终从0到15循环，而是随着行数的增加会做一个移位。

同时LCD屏幕上的点阵也被拆分为上下两个半屏，分别对应Y地址的0-8和9-15这导致了取模后的图形所对应的数组，如若按普通方法则不能正常显示。

1.4课题研究预期目标

本课题研究预期目标主要包括采用FPGA控制LCD在任意位置显示任意中文以及英文字符，和在LCD上显示储存模块中的图像数据。

1.4.1课题研究预期理论目标

1.掌握FPGA对LCD的控制方法，为课题研究做好理论准备；

2.通过FPGA对LCD的控制，使得任何开发者都可以较为容易地通过此显示控制模块，在液晶上显示所需的内容。

；

3.算法实现：

对于12864-12的特殊图形RAM对应LCD的显示方式，采用特定算法，使得取模后的图像所对应的数组，无需经过处理便可以通过FPGA（Filed-ProgrammableGateArray）在LCD上显示。

1.4.2课题研究预期技术目标

1.中文字符在LCD上的正常显示；

2.英文字符在LCD上的正常显示；

3.输入变动的数据能在LCD上的同步刷新显示；

4.图像数据在LCD上的正常显示；

第2章现代LCD技术

2.1现代LCD技术简介

在七十年代初液晶开始作为一种显示媒体使用以来，液晶的应用范围被逐渐拓宽，到目前已涉及游戏机，手机/电话机，电视，笔记本电脑/掌上电脑，DC/DV以及液晶显示器等领域。

在1984年，欧美提出了STN-LCD，而同时TFT-LCD技术也被提出，但仍不成熟，在80年代末，日本掌握了STN-LCD的生产技术，在93年，日本又掌握了TFT-LCD生产技术，液晶显示器开始向廉价低成本的方向发展，随后DSTN-LCD诞生；另一方面向高端的薄膜式晶体管TFT-LCD发展，97年，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代TFT-LCD生产线。

在此期间，韩国和我国台湾开始介入液晶显示器生产领域，我国内地企业也引进生产线，生产TN-LCD，东亚地区逐渐发展成为世界液晶显示器的主要生产地，第三代半及第四代TFT-LCD生产线开始建立，日本，韩国和中国（含台湾省）在液晶显示器生产及技术上开始走在世界最前列。

大家知道，液晶是一种具有规则性分子排列的有机化合物，它即不是固体也不是液体，它是介于固态和液态之间的物质，把它加热时它会呈现透明的液体状态，把它冷却时它则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。

液晶按照分子结构排列的不同分为三种：

粘土状的Smectic液晶，细柱形的Nematic液晶和软胶胆固醇状的Cholestic液晶。

这三种液晶的物理特性各不相同，而第二类的细柱形的Nematic液晶最适于用来制造液晶显示器。

按物理结构常见的液晶显示器可分为以下几种：

表2.1常见液晶显示器

大家从上面就可看出TN、STN、DSTN三种液晶都属于无源矩阵LCD，它们的原理基本相同，不同之处只是各个液晶分子的扭曲角度略有差异而已，其中DSTN（俗称“伪彩”）在早期的笔记本电脑显示器及掌上游戏机上广为应用，但由于其必须借用外界光源来显像所以其有很大的应用局限性，但这些早期的反射型单色或彩色没有背光设计的LCD可以做得更薄、更轻和更省电，如果能在技术上对其进行革新这些东东对于掌上型电脑和游戏机来说还是非常有用的。

而STN超扭曲向列型无源矩阵LCD则是我们今天小型液晶显示器上应用的主流，它具有屏幕反应速度快，对比度好，亮度高，可视角度大等优点。

图2.1液晶原理图

最早的液晶显示器TN它由玻璃板，偏光器，ITO膜，配向膜组成两个夹层等组成，它是所有液晶显示器技术原理的鼻祖。

而TFT液晶显示器同TN系列液晶显示器一样由玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等部分组成，它也同样采用两夹层间填充液晶分子的设计，只不过把TN上部夹层的电极改为FET晶体管，而下层改为共同电极。

2.2STN-LCD技术的显示原理

传统的TN—ICD（扭曲向列液晶显示器件）具有电光响应速度缓慢，阈值特性很不明显的弱点，这给多路驱动造成了困难，使其在大信息量的视频显示上受到了限制。

通过将TN—LCD液晶分子的扭曲角度由90。

加大到180。

至360。

之问就可以制成STN—ICD（超扭曲向列液晶显示器件）。

STNICD大大提高了显示特性，目前几乎所有的点阵图形和大部分点阵字符LCD均已采用了STN模式，STN—ICD技术在液晶产业中已处于逐渐成熟和完善的阶段。

将涂有透明导电层的玻璃上光刻形成特定的透明电极，在两片这种玻璃授板问夹上一层STN—ICD材料，四周密封，形成一个厚度仅为微米量级的扁平液晶盒。

由于玻璃内表面涂有定向层膜并进行了定向处理，盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列，如果两片玻璃内表面定向层处理的方向呈一定的夹角α，则液晶分子在这两片玻璃之间以α角度扭曲由于STN-LCD液晶分子在盒中的扭曲螺旋距比可见光波长大得多，所以当垂直于玻璃表面一侧的直线偏振光入射后，其偏光方向在通过整个赦晶层后会被扭曲α角度另一侧射出，因此此液晶盒具有在成α角度偏振片间透光的作用和功能。

如果在液晶盒上施加一个电压并达到一定值后，液晶分子长轴将开始沿电场方向倾斜，当电压达到2倍阈值电压后，除电极表面的分子外，所有的赦晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列，这时α角度旋光功能消失，在成α角度的偏光片之间失去了旋光作用使器件不能再透光。

因此，将STNLCD放在成α角度的偏振片之间就可以用给液晶盒通电的办法使光改变其透过和遮住状态从而实现显示的功能。

液晶屏幕的驱动方式：

单纯矩阵驱动方式是由垂直与水平方向的电极所构成，选择要驱动的部份由水平方向电压来控制，垂直方向的电极则负责驱动液晶分子。

　　在TN与STN型的液晶显示器中，所使用单纯驱动电极的方式，都是采用X、Y轴的交叉方式来驱动，如下图所示，因此如果显示部份越做越大的话，那么中心部份的电极反应时间可能就会比较久。

而为了让屏幕显示一致，整体速度上就会变慢。

讲的简单一点，就好象是CRT显示器的屏幕更新频率不够快，那是使用者就会感到屏幕闪烁、跳动；或着是当需要快速3D动画显示时，但显示器的显示速度却无法跟上，显示出来的要果可能就会有延迟的现象。

2.3动态STN-LCD驱动方法

STN—LCD的显示效果是由于在显示像素上施加了电场的缘故，而这个电场是由显示像素前后两个电极上的电压信号差所产生的。

在显示像素上建立直流电场并不困难，但直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极老化。

从而迅速降低液晶材料的寿命，因此必须建立交流电场，并要求这个电场中的直流分量尽可能小，通常要求小于50mV。

因此STN—LCD必须采用交流驱动。

STN—LCD显示驱动方法有很多种，常用的有静态驱动法和动态驱动法。

当STN—LCD显示像素众多时，若使用静态驱动法将会产生众多的引脚以及庞大的驱动电路，实现起来有困难，因此常用动态驱动法。

图2.3液晶驱动示意图

动态驱动法中STNLCD电极的制作和排布为矩阵型结构，即把水平一组显示像素的电极连接在一起引出称之为行电极，用COM符号表示，把纵向一组显示像素的电极连在一起引出，称之为列电极，用符号SEG表示。

每个STN-LCD显示像素都由其所有行和列的位置唯一确定。

上图为N行、M列STN-LCD电极连接示意图，显示图形为字符“R”。

点阵型STN-LCD和字符型STN-LCD的电极连接略有不同，但它们均可以由上图来表示。

动态驱动法就是采用逐行、循环地给行电极施加选择脉冲，同时所有的列电极给出该行像素对应的选择或非选择脉冲．从而实现一行所有显示像素的驱动，循环一次称为一帧。

这种扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得STN-LCD显示屏上呈现稳定的图象效果。

一帧中每一行的选择时间是相等的，若一帧的扫描行数是N，则一行所占用的扫描时间为一帧的1／N，该值称为占空比系数。

在特定电压下，扫描行数的增加将使占空比下降，从而引起液晶像素上交变电场有效值的下降，降低了显示质量，因此随着显示像素的增多就需要适度地提高电场电压的有效值来保证显示质量。

动态驱动方式下，某一液晶像素呈显示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的台成来实现的。

与该像素不在同一行及同一列上的像素都处于非选择状态下，而与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称为半选择点。

当半选择点的电压接近液晶的阔值电压时屏上将出现不应该有的半显示现象，这会使得对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”，在动态驱动法中可采用偏压技术来解决这一问题。

平均电压法是解决“交叉效应”的有效办法，其原理是把半选择点和非选择点上的电压平均化。

若显示点电压为

，则半选择点和非选择点电压为

α，其中α为整数．称为偏压比。

平均电压法适度提高非选择点上的电压来抵消半选择点上的电压，从而扩大选择点和半选择点的电压之间的差距，提高显示对比度，又使非选择和半选择点的显示更均匀一致。

对比度是衡量液晶显示质量的重要标志。

只要驱动电压的有效值足够大液晶就可以实现显示，且选通时的透过率与有效值成正比，而对比度是透过率之比，所以只要确定了选通电压有效值与非选通电压有效值之比就能预测出显示对比度的好坏。

第3章现代FPGA技术

3.1FPGA的发展历程

作为一种可编程逻辑器件，现场可编程门阵列的出现是可编程逻辑器件发展变化的必然，它的出现推动着可编程逻辑器件的进一步发展。

因此说，了解了可编程逻辑器件的的发展历程，也就了解了FPGA的发展历程。

可编程逻辑器件（FPGA）是20世纪70年代发展起来的一种新型期间。

它的应用不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。

可编程逻辑器件的发展是以微电子创作技术的不断进步为基础的，其结构和工艺的变化经历了一个不断发展变革的过程。

20世纪70年代，早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器，紫外线可擦除制度储存器和电可擦除只读储存器3种