基于FPGA及嵌入式CPU 的TFT-LCD接口设计

　　1 引言

　　随着电子技术的飞速发展，TFT-LCD作为在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过 CRT的显示器件，被广泛用于各种仪器仪表、电子设备及控制领域中。与之相关的显示控制技术也呈现出越来越多的方式。本文以 640*480的数字输入的 TFT_LCD显示屏为例，介绍了一种基于 NiosII软核处理器实现对 TFT-LCD接口的方法。解决了通常情况下必须使用LCD 控制专用芯片才能解决 LCD显示的问题。

　　2 系统组成

　　系统框如图 1所示。系统是由 FPGA、显示缓存 RAM、程序执行 RAM及 TFT-LCD组成。 FPGA（用虚线围成）选用的是 ALTER的 EP1C6，RAM采用的是 IDT的 IDT71V547，LCD为 640*480的彩色 TFT-LCD屏。在 FPGA内部是由时序发生、 地址切换、数据分离、调色电路及嵌入式 CPU（NIOS内核）五部分组成。

　　 3各器件的功能

　　3.1显示缓存 RAM

　　采用 IDT公司的 IDT71V547 128K X 36bit的 SRAM芯片，工作电压为 3.3V [1]。该芯片作为显示缓存，TFT_LCD读取显示缓存 RAM中的数据并将其在 TFT_LCD上显示。嵌入式 CPU（NIOSⅡ）对显示缓存 RAM的改写就相当于对 TFT_LCD显示内容的改写。

　　3.2 FPGA 本文 FPGA选用的是 ALTERA公司的 Cyclone 系列中 EP1C6Q240。

　　3.2.1 时序发生电路

　　首先由外部输入一相当的频率时钟，通过 FPGA内部的锁相环电路（PLL）生成 100MHz的时钟信号。系统对 100MHz时钟计数生成 50MHz的时钟给嵌入式 CPU（NIOSⅡ）作为嵌入式 CPU的工作主频，同时生成 TFT_LCD所须的场同步时钟、行同步时钟、显示使能时钟和 25MHz的 TFT_LCD主时钟；生成地址切换控制信号、数据分离控制信号，由嵌入式 CPU输出的读写信号产生显示缓存 RAM的读写信号。

　　3.2.2调色电路

　　由于文中是以 256色的电路为例，所以，调色电路是将 8位数据译码成 3*6位的三基色数据，调色电路也可以是 ROM型或 RAM型。如果作成 RAM型，可以依据嵌入式 CPU需要显示的图象相应修改调色电路，可显示更丰富的色彩。

　　3.2.3地址切换、数据分离

　　此部分电路的作用是：在嵌入式 CPU操作显示缓存 RAM时将地址、数据线切换到嵌入式 CPU，在 TFT-LCD读显示缓存 RAM时将地址、数据线切换到 TFT_LCD。

　　3.3 TFT-LCD

　　SHARP公司生产的 *英寸液晶显示屏LQ064V3DG01是较为常用的 TFT-LCD液晶显示屏，它的分辨率为 640×480×RGB[2]，具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等特点，同时该显示屏是一片真彩显示屏，并属于透光型的 TFT、其亮度高、视角宽、背光灯的寿命也很长，并且采用的是 AG涂层和 260K的彩色显示。可广泛应用于各种仪器仪表及各种视频显示的场合。

　　 4主要电路的设计

　　4.1时序发生电路的设计

　　时序发生电路是设计的主要部分。首先，是对系统输入时钟进行频率变换， FPGA(EP1C6)的内部有两个 PLL电路模块，本文用其中的一个来生成 100MHz的时钟。再设计一个 12位的计数器（行计数器），计数 3200脉冲，产生 TFT_LCD的行同步时钟，通过此计数器的计数还可生成 TFT_LCD的显示使能信号（DE）。此计数器的输出还是 TFT_LCD读显示缓存 RAM地址的低 8位（RAM以 32位数据宽度计算）。另设计一个 9位的计数器（场计数器），用其对行同步信号计数又可生成 TFT_LCD场同步的相关信号，同时此计数器的输出可作为 TFT_LCD读 RAM地址的高 9位。

　　由于嵌入式 CPU与 TFT_LCD是复用一片显示缓存 RAM，所以要对显示缓存 RAM在时间上进行分时控制。由于 IDT71V547是 32位数据宽度的 RAM，如果将 TFT_LCD设计成256色显示，则读显示缓存 RAM一次可显示 4个像素点。所以把行计数器输出的 25MHz时钟作为基准（TFT_LCD主时钟）、以 25MHz的 4个周期(T0、T1、T2、T3，T0=T1=T2=T3=40纳秒)为基本循环，在 25MHz的第一个周期（ T0）由 LCD占用产生“ LCD_读选通”信号， (LCD_读选通= (/12.5MHz)(/6.25MHz) )。T1-T3由 CPU占用，在 T1-T3周期内产生相应的选通信号， (T1=(12.5MHz)(/6.25MHz)、 T2=(/12.5MHz)(6.25MHz)、T3=(12.5MHz)(6.25MHz))，由于 CPU什么时间对显示缓存 RAM读写是不确定的，所以要根据 CPU的读写信号来确定 T1-T3哪个为“CPU_RAM_选通”信号(如果在 T0内来 CPU_RW则 CPU_RAM_选通=T2、T1来 CPU_RW则为 T3、T2来 CPU_RW则为 T3、T3来 CPU_RW则为 T1)。此逻辑的实现方式是，在 CPU_RW信号产生时锁存住当时的 T0-T3的状态由此来控制“CPU_RAM_选通”产生的位置。在具体时序见图 2所示。

　　4.2地址切换和数据分离电路的设计

图 3是地址切换电路中的一位，以这一位为示例 ,可推出 17位地址全部电路。在图 3中 RAM_ADD=（(LCD_A