FPGA的LCD液晶显示器设计

　　由LCD液晶显示器制作的显示面板广泛应用于军用设备中，本设计采用Spartan-3E FPGA为硬件，该2×16字符型LCD内嵌一个Sitronix ST7066U图形控制器，实现了LCD显示器的字符或者汉字的满屏显示、满屏移动显示以及单个字符在屏幕上的移动显示，所有功能用VHDL语言实现，符合LCD显示器要求，达到各种显示效果。

　　由于LCD 液晶显示器体积小、重量轻、功耗低，应用非常广泛，如作为飞机、坦克和船上的显示面板，可缩小原CRT显示器的所占空间，减轻设备重量，增强机动性。

　　本设计采用Spartan-3E开发板上的一个内嵌Si.tronix ST7066U图形控制器的字符型LCD，实现了：（1） 单个字符在任意位置的显示以及字符的满屏显示及满屏移动显示；（2） 自定义字符（汉字）的显示以及单个字符的满屏移动显示。其中，图形控制器［1］负责接收控制指令及数据并将其发送给LCD显示器。

　　1 Sitronix ST7066U 图形控制器

　　该控制器有三个内部存储空间，DD RAM、CGROM、CG RAM，送数据之前应先初始化。

　　（1）DD RAM（显示数据RAM）

　　存储字符编码，从物理上讲DD RAM共有80个字符位置，每行有40个字符，但只有16个可被显示，剩余的24个不被显示。在读或写之前，需初始化地址计数器，地址计数器在读或写之后可保持常数或者自动增1或减1。

　　（2）CG ROM（字符产生器ROM）

　　包含每个事先定好的字符的字体位图。

　　（3）CG RAM（字符产生器RAM）

　　包含8位的自定义字符位图，每个自定义字符位由8行位图的5个点组成，具体用法与DD RAM相同。

　　1.1 与FPGA 的接口信号

　　LCD与FPGA的接口信号［2］有：（1）使能信号LCD_E；（2）寄存器选择信号LCD_RS；（3）读/写控制信号LCD_RW；（4）4根LCD数据线与StrataFlash数据线SF_D《11：8》复用。

　　1.2 时序分析

　　SF_D《11：8》的数据值，LCD_RS、LCD_RW必须建立并在LCD_E 转向高电平之前至少稳定40 ns，LCD_E 保留高电平时间至少230 ns。在许多应用中，LCD_RW恒置低，因为一般不会从显示屏读取数据。

　　如图1所示，数据以8位形式传送，分为高4位和低4位，先传高4位再传低4位，其间隔时间至少1us。一个8位的写操作在下个通信之前间隔时间至少为40 us，而在清屏命令之后该延时需增至1.64 ms。

　　图1 字符型LCD 接口时序图

　　2 数据显示设计

　　2.1 流程图

　　如图2所示，LCD数据显示包括上电初始化、配置显示屏、写数据给显示屏，在写数据之前应先设定初始地址。

　　图2 LCD 显示流程图

　　本开发板晶振为50 MHz。

　　具体实现步骤如下：

　　1. 上电初始化

　　上电后显示屏需建立通信协议即初始化，目的在于建立FPGA与LCD的4位数据接口，具体如下：

　　（1）等待至少15 ms，即750000个时钟周期。

　　（2）写SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（3）等待至少4.1 ms，即205000个时钟周期。

　　（4）写SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（5）等待至少100 us，即5000个时钟周期。

　　（6）写SF_D《11：8》=0x3，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（7）等待至少40 us，即2000个时钟周期。

　　（8）写SF_D《11：8》=0x2，LCD_E保持高电平12个时钟周期。

　　（9）等待至少40 us，即2000个时钟周期。

　　2. 显示屏配置

　　根据字符型LCD的命令设置而确定发送数据。

　　（1）发功能设置命令0x28，配置显示屏。

　　（2）发进入模式命令0X06，显示屏设置为自动增地址指针，设置指针移动方向为向左且规定不移动显示。

　　（3）发显示开/断命令0x0c，将显示字符的地址存储在DD RAM中。

　　（4）最后发清屏命令，此后等待时间至少为1.64 ms。

　　3. 写数据给显示屏

　　具体步骤如下：

　　（1）先指定初始地址即发送一个设置DD RAM地址命令给DD RAM中指定的初始7位地址。

　　（2）再发送一个或多个数据值即使用DD RAM命令写数据给显示屏。8位数据值通过查表地址送给CG RAM，CG RAM中存储的位图驱动5×8点阵给相应的字符。

　　如果地址计数器配置为自动增1，则可依次写多个字符编码，每个字符自动存储并显示在下个位置，继续写字符直至在第一行的最后停止，而剩余的数据不会自动在第二行显示，因为DD RAM的映射从第一行到第二行不连续。

　　2.2 程序设计实现

　　按照上面的步骤，先对LCD上电初始化，再进行配置，配置不同显示效果也不同。

　　1. 单个字符的显示

先设定一个DD RAM地址命令为初始地址，根据给定的命令知首地址为"10000000"， 紧接着往CG RAM中写数据，通过严格控制时序关系达到单个字符的显示。默认地址设置为