基于FPGA图形和字符加速的液晶显示设计

　　在传统的工业控制应用中，由于工业控制计算机中集成了高性能的显卡，故通常采用工业控制计算机＋液晶显示器的体系结构，可方便地实现以图形和字符为主的人机界面。而在对实时性能和可靠性要求比较高的航空航天领域，通常要求液晶显示器内部集成图形显示功能，以减轻主控处理器的负担，并提高系统的实时性。重点介绍了如何利用ＦＰＧＡ实现基于Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ算法的２Ｄ图形绘制（包括画点、画线、画圆、画椭圆），以及点阵字符和位图在液晶屏上的显示，并提出了显示性能优化的一系列策略。经过仿真验证和产品实际应用，该设计方法实现的液晶显示模块图形和字符显示功能稳定，性能良好，适合于航空航天领域高可靠性液晶显示模块的应用需求。

　　１　引　　言

　　在传统的工业控制应用中，多采用Ｘ８６架构的工业控制计算机，计算机外置或集成显卡输出ＶＧＡ／ＤＶＩ视频信号，由液晶显示器完成显示功能。在这种架构下采用软件编程实现人机界面比较方便。而在嵌入式系统领域，尤其是航空航天仪表显示设备的信息显示领域，对显示任务的可靠性和实时性要求很高。一方面需要减少设备内部的模块及互联总线，以提高设备的可靠性并降低功耗；另一方面，设备所选用的高可靠性处理器性能通常较低，需要专门的硬件加速器辅助完成显示功能。硬件加速器主要完成字符显示、图表绘制及液晶屏驱动等功能，以减轻处理器的负担，提高外部通信总线处理的实时性。基于ＦＰＧＡ的液晶显示驱动及图形加速器就是为了满足显示仪表设备而设计的。由于液晶显示模块内部集成了图形和显示功能，对设备主机处理器的性能要求大大降低，这样就可以采用低性能、可靠性高的处理器来承担显示控制任务。

　　２　系统结构

　　２．１　总体结构

　　仪表设备系统结构图如图１所示，由数据采集与通讯主机和液晶显示模块组成。

　　

　　２．２　数据采集与通讯主机

　　数据采集与通讯主机采用５１系列单片机，外接Ａ／Ｄ采集、ＣＡＮ等接口，主要完成数据采集、通信及向液晶显示模块发送页面显示命令等功能。

　　２．３　接口

　　液晶显示模块与设备主机间为ＲＳ４２２串行接口，通讯波特率为２００ｋｂｉｔ／ｓ，数据传输协议是自定义的，由帧头、数据包长度、命令、参数、校验和构成，单个数据包最大长度为２５６字节。

　　帧头：为０ｘＥＢ、０ｘ９０两字节，为整个数据帧的通讯过程提供同步功能；

　　字节长度：１字节，数据帧格式中指令的总字节数，最大不超过２５５字节。

　　指令：液晶显示模块操作指令内容，包括命令和参数，表１给出了部分操作指令格式及含义；

　　校验：１字节，“字节长度”和“指令”字段的累加和，以校验数据帧的正确性。

　　２．４　液晶显示模块

　　液晶显示模块，相当于小型液晶显示终端，由液晶屏及其ＴＣＯＮ 板、背光、图形加速及显示控制板组成。

　　液晶显示模块需完成的绘图命令有：屏幕擦除（背景填充）、画点、画线、画矩形、画椭圆、画圆、字符串显示、自定义字显示、图片显示、块拷贝、块粘贴等功能，以及字库及图片下载功能。除此之外，还有液晶屏亮度调节及状态管理等命令。

　　２Ｄ绘图指令定义见表１。

　　

　　本设计选用的液晶屏为ＮＥＣ公司的１６．５ｃｍ（６．５ｉｎ）ＴＦＴ彩色液晶显示屏，分辨率为６４０×４８０，液晶屏自带ＴＣＯＮ板，其接口为１８ｂｉｔ数字ＲＧＢ信号。

　　３　ＦＰＧＡ设计实现

　　ＦＰＧＡ在本设计中完成的工作主要是：一方面，进行数据接收并解析，根据命令进行图形绘制操作，生成显示帧存储写操作数据流，最后将要改写的数据写入ＳＤＲＡＭ 存储器中；另一方面，根据液晶屏同步信号时序要求，将帧存中显示区的数据定时地读出，生成液晶屏驱动数据流；其次，ＦＰＧＡ内部还具有ＰＷＭ 信号生成模块，可调节液晶显示屏的亮度。

　　３．１　ＦＰＧＡ器件选型

　　ＦＰＧＡ选用Ｘｉｌｉｎｘ　２Ｖ３０００系列［１］，该器件具有２８　６７２个ＬＵＴ单元和个２８　６７２个触发器以及９６个ＢｌｏｃｋＲＡＭｓ，便于实现大规模控制逻辑及ＦＩＦＯ、Ｂｕｆｆｅｒ等；另外，ＦＰＧＡ 内部具有ＤＣＭ，可将外部６５ＭＨｚ时钟转为２５ＭＨｚ时钟，用于液晶屏驱动时钟，并可内部经分频产生１ｋＨｚ　ＰＷＭ信号，用于液晶屏背光亮度调节。