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FPGA 控制的 LCD 显示电路设计
一、实验目的
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。
二、实验内容与要求
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 Liquid Crystal Display 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-Programmable Gate Array 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(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可
配置逻辑模块 CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块 IOB(Input Output
Block)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
四、12864 点阵型液晶显示器
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 1 12864 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 2 12864 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 DISPLAY START LINE 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(DISPLAY ON/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(DISPLAY START LINE)
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
前面在介绍 Z 地址计数器时已经描述了显示起始行是由 Z 地址计数器控制的。A5~A0
6 位地址自动送入 Z 地址计数器,起始行的地址可以是 0~63 的任意一行。
例如:选择 A5~A0 是 62,则起始行与 DDRAM 行的对应关系如下:
DDRAM 行:62 63 0 1 2 3 ·················28 29
屏幕显示行: 1 2 3 4 5 6················· 31 32
3) 设置页地址(SET PAGE “X ADDRESS”)
代码
R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式
0 0 1 0 1 1 1 A2 A1 A0
所谓页地址就是 DDRAM 的行地址,8 行为一页,模块共 64 行即 8 页,A2~A0 表示 0~7 页。
读写数据对地址没有影响,页地址由本指令或 RST 信号改变复位后页地址为 0。
4) 设置 Y 地址(SET Y ADDRESS)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式
0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
此指令的作用是将 A5~A0 送入 Y 地址计数器,作为 DDRAM 的 Y 地址指针。在对
DDRAM 进行读写操作后,Y 地址指针自动加 1,指向下一个 DDRAM 单元。
5) 读状态(STATUS READ)
代码
R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 1 0 BUSY 0 ON/OFF RET 0 0 0 0
当 R/W=1 D/I=0 时,在 E 信号为“H”的作用下,状态分别输出到数据总线(DB7~DB0)的相
应位。
BF:BF=1,内部正在进行操作,BF=0,空闲状态。
ON/OFF:ON/OFF=1,表示显示打开,ON/OFF=0,表示显示关闭。
RST: RST=1 表示内部正在初始化,此时组件不接受任何指令和数据。
6) 写显示数据(WRITE DISPLAY DATE)
代码
R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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