基于FPGA 的數(shù)據(jù)輸出顯示電路設(shè)計(jì)

廖超平

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

在非常多的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中存在數(shù)據(jù)輸出顯示模塊，數(shù)據(jù)輸出顯示模塊首先要將用二進(jìn)制（BIT）碼表示的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成用戶習(xí)慣使用的十進(jìn)制（BCD）碼，然后轉(zhuǎn)換成整數(shù)部分第一位不為零的數(shù)字前的零不顯示的大家習(xí)慣的輸出形式，在通過顯示器（通常是LCD 顯示器）顯示出來。在基于FPGA 設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)數(shù)據(jù)輸出顯示電路模塊是經(jīng)常使用的。基于FPGA 設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)數(shù)據(jù)輸出顯示電路在各種智能儀表、電子秤和數(shù)控機(jī)床等數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中廣泛使用。

1 數(shù)據(jù)輸出顯示電路設(shè)計(jì)方法原理分析

1.1 二進(jìn)制-BCD 轉(zhuǎn)換

數(shù)字系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)通常是二進(jìn)制碼，在輸出前要轉(zhuǎn)為BCD 碼。二進(jìn)制-BCD 轉(zhuǎn)換電路利用加3 或0再移位方法進(jìn)行，詳細(xì)原理請參考文獻(xiàn)[1]。

下面舉例說明。假如有一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)1110 1011（十進(jìn)制數(shù)235），要把它轉(zhuǎn)成十進(jìn)制數(shù)的BCD 碼[2]：

在上面處理過程中，每次移位前，先判斷BCD 邊的每個(gè)字節(jié)特點(diǎn)，若是（0，0，0，0）-（0，1，0，0）這幾個(gè)值時(shí)，即+3≤7，向左邊移動一位后，沒有對高一位的進(jìn)位，而且本位最大也符合十進(jìn)制的表達(dá)形式，故這字節(jié)加0，即保持不變即可。

如這個(gè)BCD 邊字節(jié)是（0，1，0，1）-（1，0，0，1）這幾個(gè)值時(shí)，即+3>7,向左邊移動一位后，最少也存在對高一位的進(jìn)位，進(jìn)位是逢十進(jìn)一，所以要進(jìn)行修正。修正的方法就是加3 后再移位。

上面分加3 或0 移位兩種情況，原因是為了保證下一次移位后，符合十進(jìn)制數(shù)進(jìn)位和十進(jìn)制數(shù)的表達(dá)形式，即每位十進(jìn)制數(shù)碼應(yīng)該只能是：0-9 這十個(gè)數(shù)碼。

BCD 邊 BIT 邊1.0 0000 0000 1110 1011 開始,BCD 邊兩字節(jié)都有+3≤7,都保持不變即可。1 0000 0001 1101 0110 左移一次后BCD 邊兩字節(jié)都有+3≤7,都保持不變即可。2 0000 0011 1010 1100 左移二次后BCD 邊兩字節(jié)都有+3≤7,都保持不變即可。3 0000 0111 01011000 左移三次后BCD 低字節(jié)+3>7,要加3 進(jìn)行調(diào)整。4.0 0000 1010 01011000 調(diào)整后。4 0001 0100 10110000 左移四次后BCD 邊兩字節(jié)都有+3≤7,都保持不變即可。5 0010 1001 01100000 左移五次后BCD 低字節(jié)+3>7,要加3 進(jìn)行調(diào)整。6.0 0010 1100 01100000 調(diào)整后。6 0101 1000 1100 0000 左移六次后BCD 兩字節(jié)字節(jié)+3>7,都要加3 進(jìn)行調(diào)整。7.0 1000 1011 1100 0000 調(diào)整后。7 10001 0111 1000 0000 左移七次后BCD 低字節(jié)+3>7,要加3 進(jìn)行調(diào)整。8.0 10001 1010 1000 0000 調(diào)整后。8 1000110101 00000000 左移八次后得到235 的BCD碼。結(jié)束。

1.2 數(shù)據(jù)的譯碼

數(shù)字和字母要用LCD 顯示器顯示出來，要譯碼成LCD 顯示器顯示的數(shù)據(jù)格式，數(shù)字0-9 的1602LCD數(shù)據(jù)譯碼表如下:

所以，要輸出的數(shù)字要先轉(zhuǎn)換為BCD 碼，再在其前面加上"0011"。如D0 (7 downto 0)＜= "0011" ＆DIN(3 downto 0)。

對于字母則要詳細(xì)查找1602LCD 數(shù)據(jù)譯碼表，這里省略。

數(shù)據(jù) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 BCD 碼 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 LCD 顯示碼 00110000 00110001 00110010 00110011 00110100 00110101 00110110 00110111 00111000 00111001

1.3 LCD 控制電路設(shè)計(jì)方法原理

要用LCD 顯示的數(shù)據(jù)主要有數(shù)字和字母；有一經(jīng)顯示就不變的靜態(tài)顯示，有需要不斷刷新的動態(tài)顯示。另外，LCD 控制電路通常有兩種設(shè)計(jì)方法，一是狀態(tài)機(jī)方法，二是計(jì)數(shù)器方法。

綜合考慮以上LCD 顯示的數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，我們采用對有可能顯示數(shù)字和字母的LCD 顯示范圍采用重復(fù)掃描的方式顯示數(shù)據(jù)，對不變的靜態(tài)顯示采用每次刷新都重復(fù)顯示同樣的數(shù)據(jù)，而變化的動態(tài)顯示則每次刷新時(shí)及時(shí)更新顯示數(shù)據(jù)。對于掃描的控制，這里采用計(jì)數(shù)器方法，因此方法具有直觀、容易遷移到別的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

LCD 控制過程分為初始化階段和循環(huán)掃描兩行輸出階段。

（1）1602LCD 的一般初始化過程

啟動電源

等待30mS；

寫指令3CH（不檢測忙信號）；

以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號或有足夠延時(shí)；

寫指令3CH：顯示模式設(shè)置；

寫指令01H：顯示清屏；

寫指令06H：顯示光標(biāo)移動設(shè)置；

寫指令0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置。

1602LCD 的一般初始化過程用到的指令如下：

顯示模式設(shè)置：

指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *

DL：1-8 位數(shù)據(jù)接口、0-4 位數(shù)據(jù)接口；N：1-2 行顯示、0-1 行顯示；

F：1-5X10 字 體、0-5X7 字 體。當(dāng) 數(shù) 據(jù) 位 為00111100 [0x3C]時(shí)，設(shè)置8 位數(shù)據(jù)接口，16×2 顯示，5×10 點(diǎn)陣。

清顯示：數(shù)據(jù)位為00000001 [0x01]

指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1光標(biāo)和顯示模式設(shè)置：指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S I/D：光標(biāo)移動方向，1-右移，0-左移；S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。1-有效，0-無效。當(dāng)數(shù)據(jù)位為00000110 [0x06]時(shí)，光標(biāo)右移，整屏顯示不移動。顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置：指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0顯示開/關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B D：顯示(1 有效)；C：光標(biāo)顯示(1 有效)，B：光標(biāo)閃爍(1 有效)。當(dāng)數(shù)據(jù)位為00001100 [0x0C]時(shí)，開顯示和光標(biāo)不顯示，光標(biāo)不閃爍。（2）循環(huán)掃描兩行輸出階段兩行循環(huán)掃描中則有三種情況：一是空白，此時(shí)輸出空白符,指令如下。指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0寫數(shù)據(jù) 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0二是不變字符，此時(shí)直接輸出所要求的字符如“i”。指令如下。指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0寫數(shù)據(jù) 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1三是輸出變化的數(shù)字，例如輸出頻率的各位數(shù)字。這時(shí)輸出由一個(gè)總線信號（例如D0(7 downto 0)）賦予。指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0寫數(shù)據(jù) 1 0 D0(7 downto 0)

2 數(shù)據(jù)輸出顯示電路原理框圖

原理框圖，見圖1。

圖1 原理框圖

基于FPGA 設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)數(shù)據(jù)輸出顯示電路主要包括三部分：首先是二進(jìn)制-BCD 轉(zhuǎn)換電路模塊（BITBCD），此模塊實(shí)現(xiàn)將用二進(jìn)制（BIT）碼表示的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制（BCD）碼；其次是數(shù)據(jù)譯碼模塊（DD），此模塊實(shí)現(xiàn)將原始的十進(jìn)制（BCD）碼轉(zhuǎn)換成用于LCD 顯示的代碼；最后是LCD 顯示輸出模塊(LCM)模塊。

3 各組成模塊設(shè)計(jì)

3.1 二進(jìn)制-BCD 轉(zhuǎn)換電路模塊（BITBCD）

DIN[19..0]是20 位二進(jìn)制的BIT 輸入，clk 是移位時(shí)鐘信號，RESET 為復(fù)位信號。它的內(nèi)部包含有五個(gè)BIT-BCD 單元，見圖2。

圖2 五個(gè)BIT- BCD 單元

每個(gè)單元負(fù)責(zé)一位BIT、BCD 數(shù)碼的移位和實(shí)施BIT- BCD 轉(zhuǎn)換的加3 或加0 運(yùn)算[1]。轉(zhuǎn)換過程開始后，先復(fù)位，并行輸入20 位二進(jìn)制數(shù)的BIT 碼。然后，在每次奇次時(shí)鐘到來時(shí)五個(gè)單元各自進(jìn)行加3 或加0，每次偶次時(shí)鐘到來時(shí)實(shí)施移位。經(jīng)過了40 個(gè)時(shí)鐘，20 次移位和運(yùn)算完成整個(gè)轉(zhuǎn)換過程。

其中，BIT- BCD 單元的加3 或加0 進(jìn)程VHDL代碼如下[3]：

在上面例子的BCD 邊的每個(gè)字節(jié)是（0，0，0，0）-（0，1，0，0）這幾個(gè)值時(shí)，向左邊移動一位后，沒有對高一位的進(jìn)位，而且本位最大也符合十進(jìn)制的表達(dá)形式，故加0，即保持不變即可。

在 BCD 邊的每個(gè)字節(jié)是（0，1，0，1）-（1，0，0，1）這幾個(gè)值時(shí)，向左邊移動一位后，最少也存在對高一位的進(jìn)位，進(jìn)位是逢十進(jìn)一，所以要進(jìn)行修正。修正的方法就是加3 后再移位。

以后每次移位都遵守同樣的規(guī)律，移動20 次后，即完成轉(zhuǎn)換過程。

3.2 數(shù)據(jù)譯碼模塊（DD）

此模塊將信號DIN (19 downto 0) 中的十進(jìn)制（BCD） 碼轉(zhuǎn)換成用于LCD 顯示的代碼信號D0(39 downto 0)，轉(zhuǎn)換時(shí)要考慮整數(shù)部分第一位不為零的數(shù)字前的零不要顯示。其主要VHDL 代碼如下：

--整數(shù)部分第一位不為零的數(shù)字前的零不要顯示。

3.3 LCD 顯示輸出模塊(LCM)

LCD 控制過程有兩階段：初始化階段和循環(huán)掃描兩行輸出階段；有一經(jīng)顯示就不變的靜態(tài)顯示，有需要不斷刷新的動態(tài)顯示。LCD 控制電路設(shè)計(jì)方法采用計(jì)數(shù)器方法。

其主要VHDL 代碼如下：

實(shí)體聲明:

主要進(jìn)程：

在基于FPGA 的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常涉及到數(shù)據(jù)輸出顯示電路。而我們的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明應(yīng)用EDA工具能方便地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸出顯示電路，特別是采用計(jì)數(shù)器描述顯示驅(qū)動的方法，具有設(shè)計(jì)可讀性及可遷移性，不失是一種好方法[4]。