基于Actel FPGA的笔段式LCD驱动设计

笔段式液晶显示器具有低电压，低功耗，体积小，易于开发等特点，广泛应用在各种仪器仪表、电子设备及家用电器等方面。本文介绍的基于FPGA的笔段式LCD驱动器具有灵活性高，扩展性强，可快速构建等特点，与集成电路控制器相比，FPGA更加灵活，可以针对不同的液晶显示模块更改时序信号和显示数据。本设计选用Actel公司的Fusion系列器件，设计了笔段式液晶显示驱动控制器，为驱动控制LCD提供了一种完美的解决方案。

1. 笔段式LCD简介

液晶显示器简称LCD(Liquid Crystal Display)。利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的，所以它是一种被动式的显示器。

LCD显示器有笔段式和点阵式两种。点阵式LCD显示器的段电极与背电极呈正交带状分布，液晶位于正交的带状电极间。笔段式LCD显示器类似于LED数码管显示器。每个显示器的段电极包括七个笔划(段)和一个背电极BP(或COM)。可以显示数字和简单的字符，每个数字和字符与其字形码(段码)对应。一般的笔段式LCD如图 1所示。

为使液晶实现显示，必须满足一定的条件：首先要有足够强的电信号作用于液晶，使液晶分子的初始排列发生变化;其次是每个电(光、热)信号可以在一段时间内作用于一个或者多个像素单元。由于直流电场会导致液晶材料发生电解等化学反应，使电极急剧的老化，因此只能在像素电极上建立交流电场，而且应该尽量减少交流电场中的直流成分。由于液晶显示器件有类型、规格、型号的不同，对施加的电压波形、相位和频率、占空比等都有着不同的要求。

　　图1 笔段式LCD

2. Actel FPGA技术

Actel公司是单芯片FPGA解决方案的领导厂商，早期以反熔丝FPGA为主，致力于航天航空和军用领域，对FPGA的可靠性要求相当高，并将Actel FPGA成功应用于超过300个太空计划，例如：国际太空站、火星探路者、火星探测登陆车1号和2号、火星快车以及哈勃望远镜等。Actel近年来逐渐向民用市场开放，并率先推出了高安全性、高可靠性的Flash架构的FPGA，从第一代ProASIC到第三代ProASIC3，特别是第三代ProASIC3的广泛应用，显示出Actel FPGA的强大优势：单芯片、上电即行、非易失性、低功耗、高安全性、固件错误免疫、无NRE费用、快速原型构建等。

此外，Actel FPGA还可以结合Cortex-M1、ARM7及8051等软核MCU，实现真正的片上系统。

3. FPGA设计实现

(1)系统框图

基于Actel FPGA的笔段式LCD驱动设计框图如图 2所示。LCD需要交流的方波进行驱动以防止LCD的液晶分子过分扭曲。FPGA的I/O只能实现三种电平状态，分别是高电平、低电平和高阻态。为了提高选择点亮笔段与半选择笔段之间的对比度，公共背电极需要实现四种电平的状态，那么就需要外加分压电路的实现。