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基于FPGA及嵌入式CPU 的TFT-LCD接口设计

2018年01月23日 16:16 次阅读

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&TImes;480&TImes;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_ADD&LCD_选通)+(CPU_ADD&CPU_RAM_选通))且 “LCD_读选通”信号与“ CPU_RAM_选通”信号在任何时刻最多只能有一个是有效的,所以当“ LCD_读选通”信号与“ CPU_RAM_选通”生效时可将 RAM_ADD切换到相应的地址线上。如当某时刻“ LCD_读选通”信号与“ CPU_RAM_选通”全无效则 RAM_ADD输出应全为“ 0”。

图 4是数据分离电路中的一位,同样 ,以图 4这一位可推出 32位数据线。

在图 4中,RAM_R_W= (CPU_RAM_选通)&(CPU_WD),当 RAM_R_W有效时, CPU_写 DATA可通过三态门输出到 RAM_DATA上。当 CPU读 RAM时,RAM的数据由门电路输出到锁存器的输入端,在数据稳定后由“ CPU_R_锁存”信号将数据锁存在锁存器上等待 CPU将数据读走(CPU_R_锁存=(( / CPU_RD)& CPU_RAM_选通&25MHz&(/50MHz)))。

同样的在 T0周期内将 RAM的相应数据由“ LCD_锁存”信号将 32位的数据锁存在锁存器上。在相应的 T0-T3周期由 T0-T3选择相应的 8位数据输出到调色电路上,在相应时刻由 “LCD_调色输出锁存”信号将此像素点数据锁存,由 TFT_LCD读取此点的三基色数据并显示。

4.3调色电路

调色电路实际为利用 FPGA内部的片内 RAM,由 Quartus 软件生成的 24位 256字节的 RAM或 ROM,RAM或 ROM的地址线接 LCD数据锁存器的输出端后的数据选择电路,数据选择电路是将 32位的数据,按 T0-T3所决定的时间,选择相应的 8位数据。当 T0时选 D[24]-D[31]、当 T1时选 D[0]-D[7]、当 T2时选 D[8]-D[15]、当 T3时选 D[15]-D[23]。之所以将数据选择设计成 T0时选 D[24]-D[31],是因为 TFT_LCD读显示缓存 RAM时,是在 T0周期的末端才能将新数据锁存到“ LCD-读 DATA”端,新的数据只有在 T1周期才能开始显示。调色电路的输出是 3*8=24bit的本文所用的 TFT_LCD是 3*6bit的所以只用相应 8bit的低 6bit。如果将调色电路设计选择 RAM型时,可以由 CPU改写调色电路 RAM,使色彩显示更加丰富。

4.4显示缓存设计

显示缓存 RAM的选择由 LCD显示彩色多少决定的,如果显示 16色可以选择每像素点占 4bit,这样每读一次 RAM可显示 8个像素点。以此类推来选择显示缓存 RAM的大小和相应修改时序发生电路的周期。对 CPU的显示缓存 RAM口的设置时,一定要注意显示缓存 RAM的 CPU读写周期与时序发生电路的周期相一致,否则会发生读写错误。本例设置的是 160纳秒( T0+T1+T2+T3=160ns)[3,4]。

5 结束语

本文介绍了一种基于 FPGA及 NiosII软核处理器与 TFT-LCD接口的主要部分的设计要点,该设计内容已经在实际电路上得到验证,并在一些仪器的显示系统上得到应用。

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由上述数据流向可见:连接两计算机COM口的数据线两头都是母头,且内部引脚进行了交叉。数据线连接的结果...

发表于 2018-03-30 16:13 195次阅读
PCB接口接口公母之分:公头和母头的接法

stm32如何制作一个读取U盘文件系统的工程

发表于 2018-03-30 15:29 281次阅读
stm32如何制作一个读取U盘文件系统的工程

CPU与GPU维护数据结构来保证环形缓冲区的正确...

CPU 和 GPU 将各自维护一些数据结构来保证环形缓冲区的正确工作。这些 数据结构有缓冲区的基地址...

发表于 2018-03-30 15:01 359次阅读
CPU与GPU维护数据结构来保证环形缓冲区的正确...

CPU与核心及进程和线程认识

所谓的4核8线程,4核指的是物理核心。通过超线程技术,用一个物理核模拟两个虚拟核,每个核两个线程,总...

发表于 2018-03-30 14:48 243次阅读
CPU与核心及进程和线程认识

展讯cpu怎么样_展讯和联发科cpu哪个好

展讯通信有限公司(Spreadtrum Communications, Inc.)隶属紫光科技集团有...

发表于 2018-03-30 14:09 387次阅读
展讯cpu怎么样_展讯和联发科cpu哪个好

嵌入式操作系统都基于GCC进行源码编译

系统头文件是指C语言本身和操作系统相关的头文件。在使用-v选项获取系统头文件路径时,必须后面带一个有...

发表于 2018-03-30 13:57 130次阅读
嵌入式操作系统都基于GCC进行源码编译

FPGA时序约束简介

在简单电路中,当频率较低时,数字信号的边沿时间可以忽略时,无需考虑时序约束。但在复杂电路中,为了减少...

发表于 2018-03-30 13:42 227次阅读
FPGA时序约束简介

【下载】《CPLD/FPGA的开发与应用》

发表于 2018-03-29 17:11 774次阅读
【下载】《CPLD/FPGA的开发与应用》

为5G做好准备,两种5G技术的故事

“5G代表了自动驾驶体验所需的基础技术,”联电公司(UMC)市场部副总裁Steven Liu表示。 ...

发表于 2018-03-29 15:47 286次阅读
为5G做好准备,两种5G技术的故事

嵌入式STM32F030低温下RTC不工作

发表于 2018-03-29 15:01 298次阅读
嵌入式STM32F030低温下RTC不工作

Java、云计算、嵌入式等史上最全技术知识图谱秘...

28张,张张经典、实用、全面,比如Java架构师图谱,微服务架构秘籍,阿里巴巴常用小框架等等。

发表于 2018-03-29 14:18 483次阅读
Java、云计算、嵌入式等史上最全技术知识图谱秘...

STM32内存管理以及STM32中的堆栈

这个是MDK编译之后能够得到的每个段的大小,也就能得到占用相应的FLASH和RAM的大小,但是还有两...

发表于 2018-03-29 13:45 342次阅读
STM32内存管理以及STM32中的堆栈

德州仪器和高通CPU哪个好

德州仪器(Texas Instruments),在1947年创办。是世界上最大的模拟电路技术部件制造...

发表于 2018-03-29 10:13 440次阅读
德州仪器和高通CPU哪个好

德州仪器为什么退出手机cpu市场

美国德州仪器公司(英语:Texas Instruments,简称:TI),是世界上最大的模拟电路技术...

发表于 2018-03-29 10:06 356次阅读
德州仪器为什么退出手机cpu市场

怎样才能快速学习8051单片机呢

学习单片机,你不能没有一本纸质的教程,到本地的书店挑选或便宜的可以到卓越、当当网掏一掏。有了教程能更...

发表于 2018-03-29 09:16 270次阅读
怎样才能快速学习8051单片机呢

异步电路中时钟如何同步的多种方法

时钟是数字电路中所有信号的参考,特别是在FPGA中,时钟是时序电路的动力,是血液,是核心。

发表于 2018-03-28 17:12 623次阅读
异步电路中时钟如何同步的多种方法

FPGA相比CPU在运算中的优势

FPGA相比于CPU,最大的优点在于速度,简单来讲,FPGA是靠控制每个时钟(Cycle)来驱动信号...

发表于 2018-03-28 17:10 789次阅读
FPGA相比CPU在运算中的优势

技术控:FPGA中RAM使用技巧探索

FPGA中RAM的使用探索。以4bitX4为例,数据位宽为4,深度为4。

发表于 2018-03-28 17:07 522次阅读
技术控:FPGA中RAM使用技巧探索

将门年度创新峰会:人工智能如何改变世界?

将门CEO高欣欣与联想芮勇、IBM沈晓卫、Intel宋继强、旷视科技孙剑,以及将门CTO沈强,就20...

发表于 2018-03-28 16:30 376次阅读
将门年度创新峰会:人工智能如何改变世界?

儒卓力首次到深圳参展业界盛事CITE 2018

全球电子元器件分销商兼亚洲电子供应链中的知名厂商儒卓力(Rutronik Elektronische...

发表于 2018-03-28 14:45 1038次阅读
儒卓力首次到深圳参展业界盛事CITE 2018

Java底层实现,CPU还有10个术语!

Java底层实现——CPU的10个术语

发表于 2018-03-28 14:14 234次阅读
Java底层实现,CPU还有10个术语!

嵌入式神经网络赋予人工智能视觉、听觉和分析能力

随着专用的处理器和软件的崛起,为开发具备人工智能的嵌入式系统敞开了大门。

发表于 2018-03-28 10:22 655次阅读
嵌入式神经网络赋予人工智能视觉、听觉和分析能力

FPGA 如何支持智能搜索? 英特尔FPGA 加...

在这个以数据为中心的世界,用户对搜索引擎提出了比以往更高的要求。先进的英特尔技术可帮助 必应 利用强...

发表于 2018-03-28 10:22 136次阅读
FPGA 如何支持智能搜索? 英特尔FPGA 加...

高云半导体和ELDIS科技强强联合 进一步打开欧...

高云半导体 科技股份有限公司今日宣布签约ELDIS科技有限公司为以色列授权代理商。此举标志着高云半...

发表于 2018-03-28 10:19 89次阅读
高云半导体和ELDIS科技强强联合 进一步打开欧...

特朗普对华发起贸易战包括信息技术而中国没有反制的...

美国为何在许多自己的强项上制裁中国,中国又为何不对进口额超过石油的集成电路产品征收高关税呢?

发表于 2018-03-28 08:34 5748次阅读
特朗普对华发起贸易战包括信息技术而中国没有反制的...

500亿晶体管!ACAP技术细节

ACAP 的核心是新一代的 FPGA 架构,结合了分布式存储器与硬件可编程的 DSP 模块、一个多核...

发表于 2018-03-27 11:04 368次阅读
500亿晶体管!ACAP技术细节

Xilinx首次亮相的Virtex UltraS...

随着人工智能、5G通信、大数据、云计算等应用的出现,人们对于通信带宽的要求也在不断的提高,这些应用需...

发表于 2018-03-27 11:02 324次阅读
Xilinx首次亮相的Virtex UltraS...

FPGA定点小数的常规格式、相对于浮点小数的优势...

 Lattice的ECP3/ECP5系列FPGA内部集成了多个sysDSP架构的乘法器模块,基于sy...

发表于 2018-03-27 08:54 304次阅读
FPGA定点小数的常规格式、相对于浮点小数的优势...

一文看懂java如何写接口给别人调用

计算机语言分类有很多,如C、C++、C#、Java、Php、Python等等,她们有各自的特性及擅长...

发表于 2018-03-26 18:47 534次阅读
一文看懂java如何写接口给别人调用

Java为什么要使用接口_java接口怎么使用

Java接口是一系列方法的声明,是一些方法特征的集合,一个接口只有方法的特征没有方法的实现,因此这些...

发表于 2018-03-26 17:44 437次阅读
Java为什么要使用接口_java接口怎么使用

java接口的作用和意义是什么

接口泛指实体把自己提供给外界的一种抽象化物(可以为另一实体),用以由内部操作分离出外部沟通方法,使其...

发表于 2018-03-26 17:32 172次阅读
java接口的作用和意义是什么