基于CPLD的雙屏結(jié)構(gòu)液晶控制器的研究與設(shè)計(jì)

　1.引言

　　隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展, 在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中，可編程邏輯器件的運(yùn)用越來(lái)越多,原因在于其規(guī)模大,體積小,功能強(qiáng),價(jià)格便宜。CPLD可擦寫上萬(wàn)次,使得硬件設(shè)計(jì)像軟件設(shè)計(jì)一樣靈活方便。Verilog HDL語(yǔ)言作為硬件描述語(yǔ)言有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：在門級(jí)描述的底層，描述的設(shè)計(jì)思想、電路結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系清晰明了，設(shè)計(jì)語(yǔ)言簡(jiǎn)練、易學(xué)易用，模塊化分層結(jié)構(gòu)在大規(guī)模設(shè)計(jì)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。如果使用Verilog把控制功能集成在一片CPLD芯片里,整個(gè)電路將會(huì)變得更簡(jiǎn)潔、實(shí)用。

　　2.液晶控制器原理

　　液晶控制器用于單片機(jī)和液晶屏的接口，一方面不斷地把顯存的數(shù)據(jù)刷新到液晶屏上，另一方面控制單片機(jī)對(duì)顯存數(shù)據(jù)的更新。

　　雙屏結(jié)構(gòu)液晶控制器內(nèi)部主要的計(jì)數(shù)器,分別是4bit時(shí)鐘同步字符計(jì)數(shù)器、行計(jì)數(shù)器和幀計(jì)數(shù)器,它們?cè)谙到y(tǒng)時(shí)鐘FCLK的控制下同時(shí)計(jì)數(shù),主要是用來(lái)產(chǎn)生行同步信號(hào)LP 和幀同步信號(hào)FP ,分別用來(lái)控制液晶屏換行和換頁(yè)。液晶屏就是在這三個(gè)信號(hào)的控制下反復(fù)地把顯存里的數(shù)據(jù)刷新到屏幕上。

　　本設(shè)計(jì)采用Altera 公司生產(chǎn)的EPM7128SCPLD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)LCD 控制器以及它的外圍

邏輯時(shí)序的全部功能，使用的液晶屏為640×480雙屏顯示結(jié)構(gòu)，即上半屏和下半屏同時(shí)顯示，RAM為一片SRM20512LLTM78(62512)。

　　液晶屏刷新速度的計(jì)算公式為FFRP = FCLK/ ( Hn×Nx )。

　　其中，F(xiàn)FRP為液晶屏顯示幀掃描頻率,一般要大于70 Hz ，Hn為一行顯示的4bit同步字符數(shù)640/4=160，Nx為一屏幀掃描的行數(shù)480/2=240，F(xiàn)CLK為系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率，采用晶振提供頻率11.05926MHz，將其四分頻得到2.764815MHz即可作為系統(tǒng)時(shí)鐘FCLK。

　　系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示：

　　3.實(shí)現(xiàn)過(guò)程

　　1）液晶刷新時(shí)序產(chǎn)生

　　此部分主要產(chǎn)生行同步和幀同步信號(hào)，完成行和幀同步。

　　由于雙屏結(jié)構(gòu)液晶屏以4bit為單位上下同時(shí)顯示，可以在CPLD內(nèi)定義兩個(gè)寄存器，行含4bit字符寄存器scp_reg，值為640/4=160, 幀含行寄存器lp_reg，值為480/2=240。字符時(shí)鐘同步計(jì)數(shù)器scp_count為4bit字符的計(jì)數(shù)器，在系統(tǒng)時(shí)鐘scp_clk作用下計(jì)數(shù)加一，與行含字符寄存器內(nèi)容比較，若等，表示一行結(jié)束，開始下一行，scp_count清零，行計(jì)數(shù)器lp_count加一，lp_flag置一，產(chǎn)生行同步信號(hào)LP。行計(jì)數(shù)器lp_count與幀含行寄存器內(nèi)容比較，若等，表示一幀結(jié)束，開始下一幀，scp_count， lp_count 清零，fp_flag置一，產(chǎn)生幀同步信號(hào)FP。實(shí)現(xiàn)的程序如下：

　　 always@(posedge scp_clk)

　　 begin

　　 scp_count=scp_count+1;

　　 if(scp_count==scp_reg)

　　begin

　　 lp_count=lp_count+1;

　　 lp_flag=1;

　　 scp_count=0;

　　 if(lp_count==lp_reg)

　　 begin

　　 fp_flag=1;

　　 lp_count=0;

　　 scp_count=0;

　　 end

　　 else fp_flag=0;

　　 end

　　 else lp_flag=0;

　　 end

　　操作lcd時(shí)，scp_reg=160，lp_reg=240。仿真時(shí)取scp_reg=3，lp_reg=4，如下：

　　2） 單片機(jī)寫數(shù)據(jù)至RAM

　　此部分為單片機(jī)通過(guò)CPLD更新RAM數(shù)據(jù)。

　　單片機(jī)寫信號(hào)WR有效，CPLD判斷數(shù)據(jù)線上內(nèi)容為指令還是數(shù)據(jù)，若為指令，則將DB內(nèi)容存入指令寄存器CMDREG，若為數(shù)據(jù)，判斷指令寄存器CMDREG內(nèi)容以指示狀態(tài)。若CMDREG為8’h00或8’h02，表示DB為低或高八位地址，分別存入低高八位地址寄存器addl和addh，若為8’h04，表示DB為要寫入RAM的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)寄存器ioreg。

CMDREG DB內(nèi)容
8’h00 低八位地址
8’h02 高八位地址
8’h04 數(shù)據(jù)

if(a0==1) cmdreg=db;

　　else begin

　　 if(cmdreg==8'h00) addl=db;

　　nb

sp; else if(cmdreg==8'h02)

　　 begin

　　 addh=db;

　　 p={addh,addl};

　　 end

　　 else if(cmdreg==8'h04) ioreg=db;

　　 end

　　3）顯存的數(shù)據(jù)刷新到液晶屏

　　此部分完成RAM數(shù)據(jù)到LCD的正確映射。

　　RAM存儲(chǔ)和LCD對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示：

　　正確的將RAM中的數(shù)據(jù)送入LCD，使液晶屏上下半屏隨著時(shí)鐘同時(shí)顯示，必須理清RAM存儲(chǔ)和LCD顯示間的地址關(guān)系。LCD為640×480，所以下半屏起始地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容應(yīng)為640×240/8=19200,即RAM0x4b00中的內(nèi)容。

　　由于4bit字符同步時(shí)鐘scp_clk內(nèi)含四個(gè)周期computerclk，可以在computerclk的二三周期，分別將RAM地址0x0000的內(nèi)容AB和0x4b00的內(nèi)容EF傳至八位寄存器reg1和reg2，在余下的第四周期，將reg1和reg2的高四位即A和E傳至上下半屏數(shù)據(jù)寄存器ud_reg和ld_reg，lcd將同時(shí)顯示上半屏A下半屏E。下一個(gè)scp_clk時(shí)，只需將reg1和reg2的低四位即B和F傳至ud_reg和ld_reg，則lcd將同時(shí)顯示上半屏B下半屏F。以后每?jī)蓚€(gè)scp_clk，RAM地址加一，同樣的方式取數(shù)據(jù)刷新lcd。

　　仿真圖中藍(lán)線指示為RAM地址加一后上述一個(gè)循環(huán)的開始。

　　4） 數(shù)據(jù)選擇器

　　單片機(jī)對(duì)RAM數(shù)據(jù)的更新，CPLD刷新LCD對(duì)RAM的讀取，可以通過(guò)一個(gè)二選一數(shù)據(jù)選擇器完成。

　　當(dāng)單片機(jī)寫時(shí)，置選擇信號(hào)sel為1，存放MCU操作的地址寄存器addl、addh和數(shù)據(jù)寄存器ioreg與RAM地址數(shù)據(jù)總線連接，完成MCU對(duì)RAM數(shù)據(jù)的更新；當(dāng)sel為0，刷新液晶屏的地址寄存器q和數(shù)據(jù)寄存器ud_reg、ld_reg與RAM地址數(shù)據(jù)總線連接，刷新LCD。

　　4．結(jié)束語(yǔ)

　　以上主要介紹了Verilog HDL設(shè)計(jì)CPLD作為液晶控制器的幾個(gè)基本部分，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)控制器在單片機(jī)作用下正確完成液晶的顯示。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于控制器設(shè)計(jì)使用硬件描述語(yǔ)言Verilog而非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，易于理解，易于維護(hù)，調(diào)試電路速度快，有許多易于掌握的仿真綜合布局布線工具。若使用其他液晶屏，只需修改程序中相關(guān)參數(shù)，更多功能的擴(kuò)充，也只需增添CPLD中的模塊即可實(shí)現(xiàn)。