摘要：通過對LCD1602／LCD12864顯示模塊控制時序和指令集的對比分析，利用Verilog HDL描述語言完成了多功能LCD顯示控制模塊的IP核設計，所設計的LCD顯示控制器具有很好的可移植性，只需通過端口的使能參數(shù)配置便可以驅動LCD1602／LCD12864模塊實現(xiàn)字符或圖形的實時顯示，并且該多功能LCD控制器的可行性也在CycloneⅡ系列的EP2C5T144C8 FPGA芯片上得到了很好的驗證。
關鍵詞：FPGA；LCD顯示控制器；IP棱；有限狀態(tài)機
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(shù)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(xiàn)數(shù)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／NoisⅡ／SPCE061)的微程序控制方式，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，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(shù)配置便可以驅動LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊實現(xiàn)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，它可以顯示16x2個、5x7的點陣字符，模塊的字模存儲器CGROM(Chara cter 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)?？梢杂糜谏倭康淖远x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；具有串／并多種接口方式，內置了8 192個16x16點漢字和128個16x8點ASCⅡ字符集，它在字符顯示模式下可以顯示8x4個16x16點陣的漢字或16x4個16x8點陣的西文(ASCH)字符；它也可以在圖形工作模式下顯示分辨率為128x64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。
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LCD 1602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(shù)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，LED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(shù)據總線DB0～DB7上的數(shù)據是指令代碼還是屬于顯示數(shù)據，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(shù)(不同廠商產品有差異)，一般要求數(shù)據讀寫周期TC≥13μs；使能脈沖寬度TPW≥1．5 μs；數(shù)據建立時間TDSW≥1μs；數(shù)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(shù)以滿足控制器的多種模塊驅動調試。
LCD12864和LCD1602液晶模塊都有自己一套嚴格用戶指令集，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。
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(shù)跳轉，來根據模塊配置參數(shù)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，文獻中就是使用FSM實現(xiàn)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(xiàn)多種控制模式，狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖如圖2所示。
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(shù)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(shù)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(shù)據存儲可以完全采用FPGA內嵌的ROM／RAM單元實現(xiàn)，如果使用雙口RAM(存儲器讀寫獨立)就能實現(xiàn)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 CycleⅡEP2C5T144C8)、KBl2864KZK、RT1602C和4x4鍵盤組成多功能LCD控制器的硬件測試平臺；設計項目經過QuartusⅡ9．1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(xiàn)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(shù)配置而實現(xiàn)控制器的系統(tǒng)移植。