基于FPGA的液晶显示设计毕业设计论文.docx
《基于FPGA的液晶显示设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的液晶显示设计毕业设计论文.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于FPGA的液晶显示设计毕业设计论文
诚信申明
本人申明：
我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。
与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。
若有不实之处，本人承担一切相关责任。
本人签名：
年月日
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
基于FPGA的液晶显示设计
摘要
随着LCD显示技术的迅速发展,LCD显示屏得到了广泛的应用。
目前很多工业控制领域采用单片机及其它外围芯片结合，来实现一些工业参数的控制与显示。
但是现有LCD控制器大多与显示屏集成，显示形式受到一定限制。
针对现有LCD显示存在的缺陷，实现了一种新的LCD显示控制的方案。
该方案采用FPGA技术开发了LCD显示控制系统，设计出了LCD的显示驱动电路和控制电路，实现文字和图形的显示。
设计中从LCD技术参数着手，通过对显示驱动系统结构与工作原理的研究，设计出显示控制系统的框图及各功能模块的VHDL程序，通过单片机系统配置FPGA芯片，控制LCD显示相应的汉字和图形。
LCD显示控制系统由显示控制电路、显示驱动电路和相关外围辅助电路组成。
显示控制电路从电路中各个功能模块所需要的控制时序信号出发，通过对其工作过程的研究，设计出控制器、RAM控制器等各功能模块。
显示驱动电路从LCD工作所需要的扫描时序信号出发，设计出时序发生电路等各功能模块。
所有的fpga程序通过了Max+Plus-Ⅱ软件实现编译及仿真后，在实际的硬件中调试通过。
FPGA技术与LCD显示技术的结合使得LCD显示控制系统的开发周期短，开发难度降低。
设计的显示控制系统使用简单，实用性强，能够满足设计的要求。
关键词：
液晶显示，显示控制，显示驱动，现场可编程门阵
Numbersandlettersidentificationsystemdesign
Abstract
ThisarticleintroducestheNumbersandlettersrecognitionactualresearchbackground,theoreticalsignificance,andthisresearchwork,andthepaperwithlettersofextractionanddigitalidentificationofthebasicprincipleandmethodisintroduced,andMATLABtooltoachievethemainfunctionofdigitalrecognitionsystem.Characterrecognitionkeystepischaracterimageenhancementdenoising,positioningsegmentationandcharacterrecognition.Thisarticleprobesintothethreekeystepsaredetailedstudies.
Experimentalresultsshowthatbasedonmatchingandstandardusedtemplaterecognitionmethoddictionariesofdigitallibrarywithletterisfeasible,andhashighrecognitionrateandgoodantinoiseperformance.Inordertoimprovetherecognitionrateandreliability,inadditiontoenhancetheabilityofnoisefilter,butalsobyincreasingknowledge.
Numbersandletterstotherecognitioneasytogeneralizesomerelatedfields,suchascarlicenceplaterecognition,shippingboxnumberidentification,billsrecognition,etc.Withthedevelopmentofresearch,anditsapplicationisalsomoreandmorewidely.
Keywords:
CharacterRecognitionFeatureExtractionTemplateMatching
前言
FPGA（Field－ProgrammableGateArray），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。
目前以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的中和与布局快速地烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。
基于以上原因，FPGA越来越广泛的被运用到各个领域。
第1章课题研究价值
第1.1节选题背景
本课题来源于广西自治区自然科学基金项目“基于智能控制、can现场总线的嵌入式微处理器控制系统的研究”。
本项目基于51系列单片机、嵌入式系统、智能控制、现场总线、实时控制操作系统、实时数据库、组态软件等的最新发展，对传统的PLC（ProgrammableLogicControllor，即可编程序控制器）从电路组成到软件结构进行创新研究，使其具有PLC功能，又具有工业PC组态软件功能，即能解决顺序控制问题，又能解决复杂控制问题，组成高性能低成本控制系统。
本课题研究的内容是其中的一个子题，即“系统监控点阵液晶显示模块与触摸屏”这一部分的显示任务，完成从上位机接收图形和文字数据并显示在液晶显示屏上。
显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管显示器为主，随着科技不断进步，各种显示技术如两后春笋般诞生。
近来由于液晶显示器具有轻薄短小，低耗电量、无辐射危险，平面直角显示，以及影像稳定不闪烁等优势，有逐渐取代CRT显示器主流地位的趋势口。
FPGA（即现场可编程逻辑门阵列）具有编程方便、集成度高、速度快、价格低、可重构性强等优点，应用广泛，市场潜力强；
LCD（即液晶显示器使用便利，适用范围广泛。
目前很多工业控制领域采用单片机及其它外围芯片结合，来实现一些工业参数的控制与显示器。
但是现有控制器大多与显示屏集成，显示内容受到一定限制。
根据横向科研项目“基于智能控制、can现场总线的嵌入式微处理器控制系统的研究”，需要本文研究的核心就是用一片FPGA芯片来设计液晶显示控制系统，应用于该课题项目。
FPGA技术与LCD技术的结合使用使得显示控制系统的设计难度降低，开发周期缩短。
FPGA芯片的开发简单、便利真正实现了“CPU+RAM+FPGA”式的开发方式。
设计者无需精通器件内部的复杂结构只需运用自己熟悉的输入工具，如原理图输入和高级行为语言进行设计，转化为最终结构所需的格式。
第1.2节国内外的研究现状
从二十世纪七十年代开始液晶作为一种显示媒体使用以来，随着液晶显示技
术的不断完善和成熟使其应用日趋广泛，到目前己涉及微型电视、数码照相机、数码摄像机以及显示器等多个领域钔。
在其经历了一段稳定、漫长的发展历程后，液晶产品已摒弃了以前那种简陋的单色设备形象。
目前，它已在平面显示领域中占据了一个重要的地位，而且几乎是笔记本和掌上型电脑必备部分。
1985年，自从世界第一台笔记本电脑诞生以来，LCD液晶显示屏就一直是笔记本电脑的标准显示设备，所以一谈到LCD必定会与笔记本电脑扯上关系。
LCD显示器在笔记本电脑的发展历程中也发挥过不同的作用，但随着液晶显示技术的不断进步，LCD在笔记本电脑市场占据多年的领先地位之后，具备平滑显示屏幕的LCD液晶显示器又开始逐步地进入桌面系统市场。
笔记本电脑为了达到轻、薄、小等功能，率先采用LCD液晶面板作为显示器。
发展至今，更多的电子产品都纷纷采用LCD作为显示面板（如移动电话、便携式电视、游戏机等），因而也令LCD产业得蓬勃的发展【液晶显示器的关键部件是液晶板，其成本占液晶显示器总成本的70%，在液晶板产品中，较为先进的产品应属TFT-LCDmin．即半导体薄膜晶体管液晶板），1995年以前，TFT-LCD的应用主要集中在高档摄像机监视器、高档掌上游戏机和大屏幕投影机等贵族化消费品中，这类产品不但价格高，而且其显示模式也只是cga，分辨率仅为320*200；伴随液晶技术的日益成熟，1995年,液晶显示屏的基板尺寸达到300RAM×400RAM，实现了10英寸VGA模式，其分辨率也达到了640×480；1997年出现了11.3英寸、12.1英寸的SVGA液晶显示器。
其显示分辨率已达到了800×600；目前15、17英寸的产品成为市场的主流产品，而显示分辨率也达到了1280×1024、1600×1200的SXGA水平。
中国国内从二十世纪八十年代初就开始引进了LCD生产线，是目前世界上最大的LCD生产国。
据不完全统计，目前全国引进和建立LCD生产线40多条，有LCD配套厂30余家，其中不乏TFT、lcd生产线。
目前，我们在国内市场所能见到的液晶显示器的面板性能大致如下：
亮度150＂－－300cd/m、对比度200～300、反应速度25ms～50ms、水平视角120～160度、垂直视角90～120度，上述指标基本能满足需求。
但由于TFT-lcd液晶板工作原理的自身因素，长久以来液晶板的视角、色饱和度、亮度及反应速度等方面的缺陷一直是困扰液晶显示器普及的问题。
LCD的显示任务是由液晶显示模块来完成的。
液晶显示模块是一种将液晶显示器件，连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件。
作为重要的人机交互接口，广泛地应用于工业控制设备、测量仪表等设备中。
众多厂家生产的LCM种类繁多，针对不同分辨率有各种型号的成品入市。
这些成品通常绑定一定规格的液晶显示屏，当需要配置不同分辨率的显示屏时，需要同对重新购买LCM。
LCD控制器是对LCM进行控制的电路。
作为液晶显示模块的典型应用系统，通常由LCM模块、LCD控制器以及与LCD控制器相连的微处理器组成，如基于51系列单片机的液晶显示系统等。
其中单片机的作用是将预先存储的要显示的汉字或图形信息，发送到由液晶控制器内的数据存储器内，并由控制器控制显示相应的汉字或者图形随着电子技术的迅速发展，微处理器lcd显示器得到很大的发展，微处理器由传统8位单片机逐步发展到现在的16位微处理器和32位微处理器，lcd也由传统单种颜色发展成多级灰度和256色的STN-LCD，以及能实现真彩显示的TFT-LCD。
由于微处理器和LCD显示器的发展，先前LCD控制器能满足现在应用系统的要求，更换不同规格的显示屏时需要更换液晶控制模块LCD。
自1985年Xilinx公司推出第一片FPGA至今，FPGA已经历了十几年的发展历史。
在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得人的发展：
现场可编程逻辑器件从最初的１２００个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。
Altera公司主要有四个品种系列：
胶合（glue）逻辑类的max，低价位的acex系列、高速flex系列、高密度的apex系列。
Altera公司还对FPGA的结构进行优化，提供更多的嵌入式RAM。
新近推出的flex10KE系列器件是以前的flex×10K系列器件的增强型，该系列在结构上采用了与flex10K系列相同的逻辑块，但片内嵌入式RAM是FLEX10K系列的两倍，而且增加了一个双端口RAM，这对通信应用来说是一个重要的优势所在。
Altera公司预计该系列器件可用于66MZ的工作频率，密度范围为3万-25万门，能够用于66MZ的PCI和通信应用。
Altera公司目前正积极倡导sopc。
纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于：
FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。
第1.3节本文研究的主要内
1．了解12864点阵型液晶显示器的显示原理。
2．掌握12864点阵型液晶显示器的接口设计。
3．利用12864点阵型液晶显示器来实现LCD广告字幕机的设计。
利用12864点阵型液晶显示模块设计一个可显示图形和中文字符的LCD广告字幕机。
1．基本要求：
1）能够显示图形和文字。
2）要求显示的图形或文字稳定、清晰无串扰。
3）在目测条件下LCD显示屏各点亮度均匀、充足。
2．提高要求
4）图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
5）显示屏刷新频率要求达到85Hz。
一.引言
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。
比CRT要好的多，但是价钱较其它显示器贵。
FPGA是英文Field－ProgrammableGateArray的缩写，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。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。
FPGA的基本特点主要有：
1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一
5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
二．工作原理
本设计所用的JM12864A是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。
可完成图形显示；也可以显示8×4个（16×16点阵）汉字。
1．12864点阵型液晶显示器的显示原理
12864液晶显示屏共有128×64点阵，即每行显示128点，每列显示64点。
此种型号的液晶显示屏以中间间隔平均划分为左屏和右屏分别显示，均为64×64点阵，而且各自都有独立的片选信号控制选择。
先显示左屏，左屏全部显示完后才能显示右屏。
显示屏上的显示数据由显示数据随机存储器DDRAM提供。
DDRAM每字节中的每1个bit，对应显示屏上的1个点。
bit值为1，对应点显示，反之不显示。
DDRAM与显示屏的对应位置如图1所示。
每半屏显示数据共有512字节的DDRAM，分为8个数据页来管理，这些页对应显示屏从上到下编号为0－7页，每页64字节，涵盖半边显示屏的64行×64列×8bit点阵数据。
向显示屏写数据实际上是向DDRAM中写数据，DDRAM不同页和不同列中的字节数据唯一对应显示屏一行的8个显示点。
例如，向DDRAM第0页的第0列写入数据00010100B，则显示屏左上角第0列的8个显示点只有从上往下的第3和5点显示。
不同页和不同列DDRAM的寻址，通过左半屏和右半屏各自的页地址计数器和列地址计数器实现，因此对显示屏DDRAM写显示数据前，需要先设置页地址和列地址。
图112864液晶显示屏与内部RAM的对应关系
2．12864液晶显示器的内部结构及外部引脚
1）12864液晶显示器的内部结构
12864液晶显示器的内部结构框图如图2。
图212864点阵型液晶显示器的内部结构框图
IC1控制模块的左半屏，IC2控制模块的右半屏。
IC3为行驱动器。
IC1，IC2为列驱动器。
IC1，IC2，IC3含有如下主要功能器件。
了解如下器件有利于对LCD模块的编程。
a）指令寄存器（IR）
IR是用来寄存指令码，与数据寄存器寄存数据相对应.当D/I=1时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR。
.
b）数据寄存器（DR）
DR是用来寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应.当D/I=1时，在E信号的下降沿作用下，图形显示数据写入DR，或在E信号高电平作用下由DR读到DB7~DB0数据总线.DR和DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的。
c）状态寄存器
有效数据位3位，用于记录“忙”信号标志位（BF），复位标志位（RST）以及开/关显示状态位（ON/OFF）。
d）XY地址计数器
XY地址计数器是一个9位计数器。
高三位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针。
X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。
Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63。
e）显示数据RAM（DDRAM）
DDRAM是存贮图形显示数据的。
DDRAM与地址和显示位置的关系见图1。
f）Z地址计数器
Z地址计数器是一个6位计数器，此计数器具备循环记数功能，它是用于显示行扫描同步。
当一行扫描完成，此地址计数器自动加1，指向下一行扫描数据，RST复位后Z地址计数器为0。
Z地址计数器可以用指令DISPLAYSTARTLINE预置。
因此，显示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行。
此模块的DDRAM共64行，屏幕可以循环滚动显示64行。
2）12864液晶显示器的外部引脚
12864液晶显示模块共有20个引脚，包括8位双向数据线、6条控制线及电源线等。
具体引脚功能见下表所示。
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VDD
5.0V
电源电压
3
V0
-
液晶显示器驱动电压
4
D/I
H/L
D/I=“H”,表示DB7~DB0为显示数据
D/I=“L”,表示DB7~DB0为显示指令数据
5
R/W
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7~DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7~DB0的数据被写到IR或DR
6
E
H/L
使能信号：
R/W=“L”,E信号下降沿锁存DB7~DB0
R/W=“H”,E=“H”DRAM数据读到DB7~DB0（使能端，高电平有效）
7
DB0
H/L
数据线
8
DB1
H/L
数据线
9
DB2
H/L
数据线
10
DB3
H/L
数据线
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
11
DB4
H/L
数据线
12
DB5
H/L
数据线
13
DB6
H/L
数据线
14
DB7
H/L
数据线
15
CS1
H/L
左半屏片选信号，低电平有效
16
CS2
H/L
右半屏片选信号，低电平有效
17
RESET
H/L
复位信号,低电平复位
18
VEE
-10V
LCD驱动负电压
19
IED+
DC+5V
背光板电源
20
IED-
DC0V
背光板电源
3．12864液晶显示器的编程指令
1）显示开关控制（DISPLAYON/OFF）
代码
R/W
D/I
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
形式
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
设置屏幕显示开/关。
D/I=1，开显示。
D=0，关显示。
不影响DDRAM中的内容。
2）设置显示起始行（DISPLAYSTARTLINE）
代码
R/W
D/I
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
形式
0
0
1
1
A5
A4
A3
A2
A1
A0
升级会员 