基于STM32和CPLD的TFT－LCD顯示控制器設(shè)計

尤衛(wèi)衛(wèi)，冒建亮，葉 樺

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

1 引 言

液晶顯示器由于其輕薄、便攜、高分辨率等優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用到生活、工業(yè)、軍事等各種場合。TFT－LCD顯示器作為液晶顯示器中一類重要的代表，具有體積小，功耗低，顯示品質(zhì)優(yōu)良等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前桌面顯示的主流。雖然TFT－LCD顯示效果極佳，但由于控制時序相對復(fù)雜，其控制一直是大家研究的重點［1－2］。目前對TFT－LCD的控制方式主要有3種：

（1）使用專用控制芯片，但此方式易受器件斷檔影響，并且不利用技術(shù)移植；

（2）使用內(nèi)置TFT－LCD控制器的STM32，如ARM9等，此方式適用于高端顯示領(lǐng)域，成本較高；

（3）使用FPGA或CPLD進(jìn)行 TFT－LCD的控制器設(shè)計，利用此方式設(shè)計靈活性強(qiáng)、可移植性高，且器件性價比高。

比較3種方案，本文選擇靈活性強(qiáng)、可移植性高，且器件性價比高的第三種方案來設(shè)計控制器［3］。

2 TFT－LCD顯示控制器的整體架構(gòu)

圖1為液晶屏顯示系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。其中，主控芯片STM32［4］內(nèi)部制定了與CPLD間的通訊協(xié)議，主要用于實現(xiàn)在LCD上的各類寫操作指令，通過Intel8080總線將待顯示信息傳送給CPLD。作為控制器的核心元件，CPLD主要實現(xiàn)三個模塊的功能［5］：

（1）協(xié)議解析模塊：CPLD接收控制器STM32發(fā)出的控制指令，實現(xiàn)對8080總線通訊協(xié)議的解析，主要包括待寫數(shù)據(jù)模式，待寫數(shù)據(jù)坐標(biāo)以及待寫數(shù)據(jù)RGB顏色。

（2）SRAM 讀寫控制模塊：CPLD 在 TFTLCD屏顯消隱區(qū)間，根據(jù)提出的數(shù)據(jù)坐標(biāo)及RGB顏色，將相應(yīng)值寫入SRAM相應(yīng)地址。在TFTLCD屏顯有效區(qū)間時，將上述數(shù)據(jù)按照時序依次讀出，完成TFT－LCD的顯示驅(qū)動。

（3）LCD時序驅(qū)動模塊：根據(jù)LCD顯示時序，實現(xiàn)液晶屏的顯示驅(qū)動。

3 TFT－LCD顯示控制器的設(shè)計

3.1 STM32與CPLD間通信協(xié)議

STM32內(nèi)部實現(xiàn)了底層接口函數(shù)及上層界面函數(shù)，底層接口函數(shù)主要實現(xiàn)通訊協(xié)議的制定，包括用于界面顯示的各類函數(shù)的實現(xiàn)。主要包括：單點寫、多點寫、8點帶背景寫與8點不帶背景寫命令。各命令具體操作如下：

（1）單點寫

單點寫主要是為了實現(xiàn)一些不易繪制的圖形，如圓、三角形等，也可用于顯示完整的圖片。STM32內(nèi)部根據(jù)指定的時序規(guī)則，依次發(fā)送指令：選擇單點寫模式→待顯示像素點行、列地址→待顯示像素點顏色。

（2）多點寫

多點寫主要用于繪制直線、矩形等，也可用于局部圖形的填充。STM32內(nèi)部根據(jù)指定的時序規(guī)則，依次發(fā)送指令：選擇多點寫模式→待顯示圖形起始點行、列地址→待顯示圖形長度→待顯示圖形顏色。

（3）8點帶背景寫

主要用于字符的覆蓋顯示，可繪制任意像素為8N×8N的字符。STM32內(nèi)部根據(jù)指定的時序規(guī)則，依次發(fā)送指令：選擇8點帶背景寫模式→待顯示字符起始行、列地址→待顯示字符前景色→待顯示字符背景色。

（4）8點不帶背景寫

主要用于字符的層疊顯示，可繪制任意像素為8N×8N的字符。STM32內(nèi)部根據(jù)指定的時序規(guī)則，依次發(fā)送指令：選擇8點不帶背景寫模式→待顯示字符起始行、列地址→待顯示字符前景色。

根據(jù)上述4種操作，STM32可以便捷地進(jìn)行各類圖文的繪制，并將相應(yīng)的指令傳送給CPLD對通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，實現(xiàn)TFT－LCD的顯示驅(qū)動。

3.2 TFT－LCD顯示驅(qū)動設(shè)計［6－8］

顯示器的驅(qū)動主要由CPLD實現(xiàn)，包括LCD時序驅(qū)動、通訊協(xié)議解析和SRAM讀寫控制，如圖2所示。CPLD接收控制器STM32發(fā)出的控制指令，提取待顯示點的坐標(biāo)與RGB數(shù)據(jù)，并在TFT－LCD屏顯消隱區(qū)間，將相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入SRAM相應(yīng)地址。在TFT－LCD屏顯有效區(qū)間時，將相應(yīng)數(shù)據(jù)按照時序依次讀出，完成TFTLCD的顯示驅(qū)動。

圖2 TFT－LCD顯示驅(qū)動框圖Fig.2 Driving chart of TFT－LCD display

3.2.1 通訊協(xié)議解析模塊

CPLD對STM32的通訊協(xié)議解析，按照先取指令后取數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行。當(dāng)STM32發(fā)送控制指令時，控制線RS為0，發(fā)送數(shù)據(jù)指令時，控制線RS為1，每發(fā)送完對應(yīng)的指令，發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。因此，通過判斷RS由0到1的上升邊沿，此時總線上數(shù)據(jù)狀態(tài)穩(wěn)定，即可讀取指令至CPLD中的寄存器；同理，當(dāng)檢測到RS由1到0的下降邊沿時，可以根據(jù)接收到的控制指令，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存放入對應(yīng)的寄存器中，進(jìn)而在TFT－LCD數(shù)據(jù)寫有效時，進(jìn)行相應(yīng)的寫屏操作。

寫屏操作具體指STM32用于圖文繪制的單點寫、多點寫、8點帶背景寫與8點不帶背景寫的驅(qū)動程序，采用有限狀態(tài)機(jī)模式，主要分為兩大類：第一類是輸出只和狀態(tài)有關(guān)，與輸入無關(guān)，即Moore型狀態(tài)機(jī)；第二類是輸出和輸入、狀態(tài)有關(guān)，且次態(tài)也與輸入和當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，即 Mealy型狀態(tài)機(jī)。本設(shè)計中采用的是Mealy型狀態(tài)機(jī)，各部分對應(yīng)狀態(tài)操作如下：

（1）清屏操作

設(shè)定狀態(tài)S1：寄存器清零操作；S2：清屏操作。狀態(tài)圖如圖3所示。其中，WAddCnt為寫屏操作完成標(biāo)志。

圖3 清屏操作狀態(tài)圖Fig.3 State chart of screen clearing operation

（2）單點寫

設(shè)定狀態(tài)S1：等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定；S2：寫單點操作，S3：寄存器清零操作。狀態(tài)圖如圖4所示。

圖4 單點寫操作狀態(tài)圖Fig.4 State chart of single point writing operation

（3）多點寫

設(shè)定狀態(tài)S1：等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定；S2：寫起始點操作；S3：寫剩余長度點操作。狀態(tài)圖如圖5所示。其中，MulPotWrCnt為寫計數(shù)器，MulPotLength為多點寫長度。

圖5 多點寫操作狀態(tài)圖Fig.5 State chart of multipoint writing operation

（4）8點帶背景寫

設(shè)定狀態(tài)S1：等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定；S2：寫起始點操作；S3：寫其余7點操作。狀態(tài)圖如圖6所示。其中，MulPotWrCnt為寫計數(shù)器；狀態(tài)S2和狀態(tài)S3中，對字模數(shù)據(jù)的操作為：0寫背景色，1寫前景色。

圖6 8點帶背景寫狀態(tài)圖Fig.6 State chart of 8points with background writing operation

（5）8點不帶背景寫

設(shè)定狀態(tài)S1：等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定；S2：寫起始有效點操作；S3：無效點計數(shù)清零操作；S4：寫其余有效點操作。狀態(tài)圖如圖7所示。其中，8Addr［7］為字模最高位，每個時鐘周期左移1位；8AddrCnt為單字模中兩有效點間無效點計數(shù)器；MulPotWrCnt為寫計數(shù)器，8AddrWrCnt為單字模中無效點總計數(shù)器。對字模數(shù)據(jù)的操作為：0為無效點，1為有效點，此時寫背景色。

圖7 8點不帶背景寫狀態(tài)圖Fig.7 State chart of 8points without background writing operation

3.2.2 SRAM 讀寫控制模塊

外部緩存SRAM的主要作用是將STM32發(fā)送的圖文數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以便在TFT－LCD顯示有效區(qū)間，CPLD可按照一定的時序從SRAM中依次讀出。對于SRAM，通過設(shè)定與的高低，將芯片的16位數(shù)據(jù)線分高8位和低8位存儲RGB顏色數(shù)據(jù)，以滿足存儲像素點640×480的需求，即將整屏數(shù)據(jù)分為上半屏（0～239行）、下半屏（240～479行）存儲，每半屏地址一樣，地址數(shù)為640×240。當(dāng)接收到顯示像素點為上半屏數(shù)據(jù)時，設(shè)定＝0＝1，數(shù)據(jù)存儲于低8位，當(dāng)接收到顯示像素點為下半屏數(shù)據(jù)時，設(shè)定＝1＝0，數(shù)據(jù)存儲于高8位。

3.2.3 LCD時序驅(qū)動模塊

LCD驅(qū)動程序流程圖如圖8所示。通過行、場計數(shù)器，產(chǎn)生TFT－LCD控制所需的行、場同步信號、像素時鐘，同時產(chǎn)生RGB數(shù)據(jù)讀寫有效位，即在RGB數(shù)據(jù)讀有效時，按照時序依次從SRAM中讀取存儲的數(shù)值，在RGB數(shù)據(jù)寫有效時，CPLD根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸指令協(xié)議，接收并解析STM32給定的TFT－LCD上各坐標(biāo)點待顯示的圖像數(shù)據(jù)。

圖8 LCD驅(qū)動模塊流程圖Fig.8 Flow chart of LCD driving module

4 仿真結(jié)果討論

本節(jié)利用 Quartus II［9］軟件仿真功能，對LCD時序和SRAM讀寫功能進(jìn)行仿真。

4.1 LCD時序驅(qū)動仿真

如圖9為LCD時序仿真圖，其中，LCD＿HS是行同步信號，LCD＿VS是場同步信號，可以看出，當(dāng)場計數(shù)器Vcnt達(dá)到524時，意味著一場掃描完，LCD＿VS發(fā)生反轉(zhuǎn)，進(jìn)入場消隱，同時新的一場同步信號隨后到來。

圖9 LCD時序仿真圖Fig.9 Simulation chart of LCD timing

4.2 SRAM 讀寫仿真［10］

SRAM讀寫控制信號由TFT－LCD顯示有效與消隱區(qū)間決定，設(shè)定RCnt和 WCnt分別為SRAM讀、寫狀態(tài)的地址、數(shù)據(jù)判斷標(biāo)志位。

圖10 SRAM讀時序仿真圖Fig.10 Simulation chart of SRAM reading

如圖11，當(dāng)WE為低時，SRAM進(jìn)行寫操作。此時，在WCnt為高電平時，給定待寫像素點地址，WCnt為低電平時，同樣經(jīng)過20ns時延后寫相應(yīng)地址數(shù)據(jù)。同時，在SRAM在讀操作時，行地址從0～639，當(dāng)讀操作結(jié)束并轉(zhuǎn)入寫操作時，行地址清0，場地址加1，可見仿真結(jié)果的正確性。

圖11 SRAM寫時序仿真圖Fig.11 Simulation chart of SRAM writing

圖12是對TFT－LCD半場信號掃描仿真的結(jié)果。在TFT－LCD的行掃描中，有一段消隱區(qū)間與有效區(qū)間；在消隱區(qū)間，可以對SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)寫操作，在有效區(qū)間，按照行地址計數(shù)0～639依次輸出信號。每行掃描結(jié)束后，場地址加1，當(dāng)場地址到達(dá)239時，即TFT－LCD半場掃描結(jié)束，接下來以同樣的地址進(jìn)行下半場的掃描。

圖12 半場掃描完仿真圖Fig.12 Simulation chart of half－court scanning finished

4.3 實現(xiàn)結(jié)果

通過采用本文設(shè)計方法，實現(xiàn)的設(shè)計實物效果如圖13所示。

圖13 設(shè)計實物圖Fig.13 Chart of design entity

5 結(jié) 論

本文介紹了基于STM32和CPLD的TFTLCD顯示控制器的設(shè)計方法。TFT－LCD模塊采用的是不帶LCD控制器的群創(chuàng)AT056TN52－5.6in（1in＝2.54cm）TFTLCD。在設(shè)計控制器時，采用的是Altera公司的 MAX II系列的 CPLD（EPM570）作為核心部件，以ISSI公司的IS61LV25616大容量SRAM作為顯示緩沖存儲器。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的控制器相對市場上TFT－LCD的專用控制芯片工作穩(wěn)定可靠，性價比高。在很多場合具有一定的實用價值。

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