基于FPGA的TFT-LCD液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

張超建，王厚軍

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

1 引 言

隨著液晶技術(shù)的日益成熟，液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，簡(jiǎn)稱LCD）在測(cè)試領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如今大部分新型示波器都采用了液晶顯示屏。在各種LCD的產(chǎn)品中，薄膜晶體管液晶顯示器TFT（Thin Film Transistor）LCD因其體積薄、重量輕、畫面質(zhì)量?jī)?yōu)異、功耗低、壽命長(zhǎng)、數(shù)字化和無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各類圖形顯示系統(tǒng)。一般LCD顯示都采用專用的液晶顯示控制模塊，實(shí)現(xiàn)屏幕分割、屏幕邏輯運(yùn)算等復(fù)雜的圖形功能。但這樣必須要由DSP來(lái)控制顯示模塊，而且其刷新頻率受到一定限制。而示波器的實(shí)時(shí)性要求非常高，對(duì)刷新率要求也就很高，并且液晶顯示界面基本上只是顯示框架和實(shí)時(shí)波形等簡(jiǎn)單的圖形，所以設(shè)計(jì)中，LCD顯示沒(méi)有采用專用控制芯片控制顯示，而是采用外部硬件現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）產(chǎn)生LCD所需要的各種顯示控制時(shí)序。顯示數(shù)據(jù)的讀取也是由FPGA產(chǎn)生地址計(jì)數(shù)器，直接從顯存SRAM中讀取。

2 SRAM顯存和TFT液晶簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)方案中SRAM選用ISSI公司的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器IS63LV1024L，為能更好、更有效地設(shè)計(jì)其與FPGA的接口實(shí)現(xiàn)，首先必須要了解IS63LV1024L的性能特點(diǎn)。它是128K×8的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器，性能特點(diǎn)主要包括：工作電壓為3.3 V，高速接入時(shí)間一般分為 8ns、10ns、和 12ns，高性能，低功耗，輸入和輸出都與TTL相兼容，不需要時(shí)鐘和更新的全靜態(tài)工作過(guò)程以及通過(guò)選擇CE和OE的狀態(tài)可以比較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)等。

為了正確地傳輸數(shù)據(jù)，在了解其性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還須了解IS63LV1024L的讀寫狀態(tài)的時(shí)序和使能的要求。其讀寫時(shí)序狀態(tài)如圖1所示。

TFT-LCD選用深圳市佳昀科技有限公司型號(hào)為YXM070TLW03的彩色顯示屏，分辨率為800×480，是 18位數(shù)字彩色屏，26萬(wàn)色（262144），其中 R、G、B3色各占6位。內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)芯片和背光單元，芯片供電電壓3.3V，背光供電電壓-10V。它的信號(hào)接口有電源、地、數(shù)據(jù)信號(hào)、數(shù)據(jù)使能信號(hào)和點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)。電源接口和地接口在PCB制作階段固定連接。液晶顯示的時(shí)序信號(hào)（點(diǎn)時(shí)鐘、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)以及數(shù)據(jù)使能信號(hào)）都由FPGA送出。

圖1 IS63LV1024L讀寫時(shí)序狀態(tài)

YXM070TLW03的點(diǎn)時(shí)鐘典型值為30 MHz，占空比50%。場(chǎng)掃描時(shí)序以HSD為時(shí)鐘基準(zhǔn)，其中，VSD為場(chǎng)同步信號(hào)（幀同步），低電平有效。每掃描完一幀（480行），控制器將驅(qū)動(dòng)VSD有效（低電平），有效寬度Tvpw為3個(gè)HSD。在VSD有效之前插入Tvfp（VSD Front Porch）場(chǎng)消隱前肩為13個(gè)HSD，有效之后插入Tvb（VSD Back Porch）場(chǎng)消隱后肩為29個(gè)HSD，這樣場(chǎng)掃描信號(hào)就相當(dāng)于對(duì)HSD進(jìn)行525分頻，其時(shí)序如圖2所示。行掃描時(shí)序以DCLK（點(diǎn)時(shí)鐘）為時(shí)鐘基準(zhǔn)，HSD為行同步信號(hào)。類似地，行掃描信號(hào)就相當(dāng)于對(duì)DCLK進(jìn)行928分頻。由上述分析可知LCD的每場(chǎng)包括525行，其中480行為有效顯示行。每顯示行共包括928個(gè)點(diǎn)，其中800點(diǎn)為有效顯示區(qū)。

圖2 YXM070TLW03時(shí)序圖

3 液晶顯示控制方案

液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)中，其硬件電路的搭建方案是基于電路連接、液晶時(shí)序控制和顯示數(shù)據(jù)傳輸控制3個(gè)方面來(lái)考慮確定的。

電路連接：所選擇的液晶3種顏色均由6位數(shù)據(jù)線組成，即液晶的數(shù)據(jù)線一共有18根，將它們與FPGA的I/O口相連。而此設(shè)計(jì)中采用的SRAM的容量為128K×8bit，受其約束實(shí)際上只用到其中的8根。采取數(shù)據(jù)線低位固定成無(wú)效電平的方式，只采用高幾位數(shù)據(jù)來(lái)表示顏色信息。例如R（red）需要6位輸入，只用到其中的3位，那么將LCD的R0、R1和R2接為高電平（無(wú)效狀態(tài)），而R3-R5這3位數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)線相連接，同樣，G3-G5和相應(yīng)的數(shù)據(jù)線連接表示G（green），B4-B5和相應(yīng)的數(shù)據(jù)線連接表示B（blue），這樣便將8位數(shù)據(jù)擴(kuò)展成18位數(shù)據(jù)，此時(shí)LCD的色彩度為256，雖然整體顯示效果會(huì)有影響，但其用作示波器的液晶顯示已經(jīng)足以滿足實(shí)際需要。

液晶時(shí)序控制：液晶顯示的時(shí)序圖如圖2所示，行同步信號(hào)周期應(yīng)該為928個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘周期，場(chǎng)同步信號(hào)周期為525個(gè)行同步信號(hào)周期，液晶的刷新率為30 MHz/（928×525）＝61 Hz，液晶時(shí)序模塊通過(guò)對(duì)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)以及數(shù)據(jù)使能信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)液晶的時(shí)序控制。

顯示數(shù)據(jù)傳輸控制：被測(cè)信號(hào)的信息經(jīng)DSP進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理后，其數(shù)據(jù)最終要送去LCD以顯示給用戶?？刂骑@存SRAM如何有序地寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，在這部分有兩種方案可供選擇，即系統(tǒng)的顯示采用兩片SRAM分時(shí)復(fù)用的方式驅(qū)動(dòng)LCD顯示或采用單片SRAM驅(qū)動(dòng)LCD顯示，下面對(duì)這兩種方案做一簡(jiǎn)單的敘述比較。

方案1：系統(tǒng)的顯示采用兩片SRAM分時(shí)復(fù)用的方式。當(dāng)顯示SRAM1中所存數(shù)據(jù)時(shí)，下一次將要顯示的數(shù)據(jù)可以事先存入SRAM2中，當(dāng)前顯示完成后，SRAM2中的數(shù)據(jù)就可以送去繼續(xù)顯示，而SRAM1將為下一次顯示數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。實(shí)際控制中，DSP處理器發(fā)出一選擇信號(hào)，選擇控制顯示哪一片SRAM的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)選擇信號(hào)來(lái)控制兩片SRAM的讀寫使能以及地址線。例如顯示SRAM1中數(shù)據(jù)，SRAM2負(fù)責(zé)存入數(shù)據(jù)時(shí)，SRAM1設(shè)置成讀使能有效，寫使能無(wú)效，地址線指向顯示數(shù)據(jù)區(qū)的首地址；SRAM2設(shè)置為讀使能無(wú)效，寫使能有效，地址線指著將要寫入SRAM2那塊數(shù)據(jù)區(qū)的首地址。

方案2：系統(tǒng)的顯示采用單片SRAM驅(qū)動(dòng)LCD的方式。被測(cè)信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)由DSP處理后經(jīng)過(guò)硬件電路送到SRAM中暫存或LCD從SRAM中讀出已存數(shù)據(jù)用來(lái)顯示，顯存寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)交替進(jìn)行，由DSP發(fā)出的一控制信號(hào)對(duì)單片SRAM采取分時(shí)讀寫的方式。由圖1所示的SRAM的讀寫時(shí)序狀態(tài)圖可知，CE為低電平時(shí)，片選使能輸入有效。同時(shí)若WE為低電平，則寫使能有效，讀使能無(wú)效，地址線指著將要寫入SRAM那塊數(shù)據(jù)區(qū)的首地址，把將要用于顯示的數(shù)據(jù)存入SRAM中。CE為低，同時(shí)WE為高、OE為低時(shí)讀使能有效，寫使能無(wú)效，地址線指向顯示數(shù)據(jù)區(qū)的首地址，LCD讀取SRAM中相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)送去顯示。

方案1這一設(shè)計(jì)思路較為成熟，在實(shí)驗(yàn)室以往研發(fā)的其他型號(hào)示波器都是沿用此方案。而在該設(shè)計(jì)中，結(jié)合課題為某民用項(xiàng)目這一實(shí)際情況，在充分確保其高性能指標(biāo)的前提下，綜合考慮產(chǎn)品的成本、主板PCB的尺寸空間以及總體設(shè)計(jì)方案，最終選擇了方案2這一新的設(shè)計(jì)思路。

這樣不僅降低了控制的復(fù)雜度，同時(shí)也減小了硬件布板難度，節(jié)約了FPGA的I/O口資源，控制了芯片成本等，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)

液晶顯示控制電路由硬件電路來(lái)搭建，依據(jù)上述方案2，其硬件電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，F(xiàn)PGA核心處理系統(tǒng)采用Xilinx公司的Spartan-3A系列，DSP（Digital Signal Processor）作為可編程數(shù)字信號(hào)處理專用芯片，選用ADI公司的ADSP-BF531。SRAM片選使能輸入始終有效，解決SRAM分時(shí)讀寫切換控制問(wèn)題的關(guān)鍵是由DSP發(fā)出的Flush控制信號(hào)和FPGA產(chǎn)生TFT-LCD所需的控制時(shí)序并完成總線仲裁邏輯。當(dāng)Flush的值為低電平時(shí)，SRAM的寫使能有效，DSP接管SRAM的控制權(quán)，DSP發(fā)出地址DSP_Sram_a[16∶0]經(jīng)地址總線傳送，并把處理過(guò)的新的顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容Adsp_Databus_wr[7∶0]經(jīng)數(shù)據(jù)總線由FPGA處理后寫入SRAM的相應(yīng)地址sram1_a[16∶0]中；當(dāng) Flush 的值為高電平時(shí)，SRAM切換為讀使能有效，此時(shí)DSP釋放SRAM的控制權(quán)，不再寫入新的數(shù)據(jù)，使其處于等待狀態(tài)。FPGA發(fā)送地址Lcd_Sram_a[16∶0]到SRAM，讀出SRAM中相應(yīng)地址的8位數(shù)據(jù)Sram_lcd_d[7∶0]送到FPGA做顯示處理，然后通過(guò)FPGA與LCD之間的數(shù)據(jù)總線加載到液晶點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)，參考圖4。

圖3 液晶顯示模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖4 液晶顯示控制仿真圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的這一液晶顯示方案的可行性，對(duì)其進(jìn)行了仿真，由圖4的仿真結(jié)果可以看出符合設(shè)想，達(dá)到了預(yù)期目的。

5 在示波器中的實(shí)現(xiàn)

將該設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室某系列款的數(shù)字存儲(chǔ)示波器上，最終實(shí)現(xiàn)單片SRAM驅(qū)動(dòng)液晶顯示，如圖5所示，正確穩(wěn)定顯示所需數(shù)據(jù)，可以滿足設(shè)計(jì)預(yù)期的數(shù)據(jù)顯示需求。7英寸顯示屏，800×480像素使得其具有良好的顯示效果和較高的性價(jià)比。

圖5 液晶顯示方案在示波器中的實(shí)現(xiàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

該文提出了一種單片SRAM驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示的新方法，并在一款示波器中得到實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。基于其節(jié)約了成本并有效降低了顯示控制的復(fù)雜度，減小了電路板的尺寸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性，使得此方案同樣優(yōu)先適用于以后的示波器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中。

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