基于FPGA的LCD&VGA控制器設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于FPGA的圖形式LCD&VGA控制器的設(shè)計(jì)，詳細(xì)討論了用VHDL設(shè)計(jì)行場(chǎng)掃描時(shí)序的方法，這種設(shè)計(jì)方法稍作改動(dòng)便可產(chǎn)生任意行場(chǎng)掃描時(shí)序，具有很好的可重用性。該控制器已成功地在某型飛機(jī)座艙圖形顯示系統(tǒng)中使用。

關(guān)鍵詞：儀表裝置 LCD VHDL FPGA VGA

飛機(jī)座艙圖形顯示系統(tǒng)已發(fā)展到第六代，即采用有源矩陣彩色液晶顯示器AMLCD（Active Matrix Liquid Crystal Display）。當(dāng)前高分辨率的軍用AMLCD顯示模塊還只能依靠進(jìn)口，且控制電路板須安裝在該顯示模塊提供的機(jī)箱內(nèi)。這種安裝方式對(duì)AMLCD控制電路板的尺寸要求高，要求盡可能減少所設(shè)計(jì)電路板的尺寸。在筆者設(shè)計(jì)的新一代飛機(jī)座艙圖形顯示系統(tǒng)中使用了大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA（Field Programmable Gata Array），這種設(shè)計(jì)方式可以將以前需要多塊集成芯片的電路設(shè)計(jì)到一塊大模塊可編程邏輯器件中，大大減少了電路板的尺寸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性。本文詳細(xì)介紹了已在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的基于FPGA的圖形式AMLCD控制器設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法稍作修改即可應(yīng)用于常見(jiàn)VGA視頻接口電路的設(shè)計(jì)。

1 圖形顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1是飛機(jī)座艙圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中處理器采用AD公司的ADSP21061芯片，AMLCD采用Korry公司的KDM710全彩色液晶顯示模塊，該模塊為5×5英寸、600×600分辨率彩色液晶顯示模塊，24位數(shù)字RGB輸入。兩個(gè)幀存A和B采用IDT公司的71V424高速異步靜態(tài)RAM，系統(tǒng)采用兩個(gè)幀存輪流操作的方法：當(dāng)DSP向其中一個(gè)幀存寫(xiě)象素時(shí)，由FPGA構(gòu)成的幀存控制器將另一個(gè)幀存中的象素順序讀出送給AMLCD，反之亦然。圖形顯示系統(tǒng)通過(guò)IDT公司的71V04雙口RAM接收主機(jī)的顯示信息。圖1中的幀存控制器和視頻控制器由Xilinx公司的SpartanII芯片XS2S50實(shí)現(xiàn)。

2 KMD710顯示模塊

如圖1所示，美國(guó)Korry公司提供的KDM710全彩色液晶顯示模塊接口信號(hào)主要如下幾組：3個(gè)8位RGB數(shù)字信號(hào)、行同步信號(hào)HSYNC、場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC、數(shù)據(jù)使能信號(hào)DATA_EN和點(diǎn)時(shí)鐘輸入DCLK。根據(jù)AMLCD數(shù)據(jù)手冊(cè)所需求的時(shí)序，確定掃描時(shí)序和相應(yīng)的時(shí)序參數(shù)如圖2所示。一般，圖形終端顯示器掃描制式與廣播電視的標(biāo)準(zhǔn)有點(diǎn)不同，須根據(jù)顯示模塊所提供的時(shí)間要求來(lái)確定掃描時(shí)序，其中的行場(chǎng)同步的前后肩，可以根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)，一般為了防止每行的第一個(gè)象素丟失，要求行同步后肩C與行同步脈沖寬B盡量相等。圖2中的點(diǎn)時(shí)鐘為20MHz，行周期為650個(gè)時(shí)鐘周期，場(chǎng)周期為615個(gè)行周期（場(chǎng)頻為50Hz）。

3 LCD&VGA控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)行場(chǎng)掃描時(shí)序，一般有兩種方式：查找表方式和編程邏輯方式。查找表方式主要由存儲(chǔ)芯片構(gòu)成，如SRAM、EPROM、PORM等。使用時(shí)，先根據(jù)所要產(chǎn)生的時(shí)序在存儲(chǔ)單元寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)值，查表時(shí)再?gòu)谋韮?nèi)讀出時(shí)應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)值，以形成掃描時(shí)序。掃描時(shí)序查找表分為行掃描時(shí)序查找表和場(chǎng)掃描時(shí)序查找表。場(chǎng)掃描時(shí)序查找表的輸入時(shí)鐘由行同步脈沖提供。用查找表形成時(shí)序的方法存在體積大、計(jì)算煩瑣的缺點(diǎn)。隨著大規(guī)模邏輯芯片的出現(xiàn)，利用編程邏輯方法產(chǎn)生行場(chǎng)掃描時(shí)序是一個(gè)發(fā)展方向。這種方法具有電路簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、修改方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。圖3為L(zhǎng)CD控制器的框圖。

在本設(shè)計(jì)中，點(diǎn)時(shí)鐘DCLK由處理器DSP的系統(tǒng)時(shí)鐘40MHz經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)二分頻得到。點(diǎn)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)行時(shí)序生成器，產(chǎn)生圖2所示的行同步信號(hào)HS和行消隱信號(hào)HB。為避免毛刺，控制器設(shè)計(jì)采用同步設(shè)計(jì)方法，如圖3所示，行同步信號(hào)HS通過(guò)一個(gè)微分電路，產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘周期寬的場(chǎng)時(shí)序生成器使能信號(hào)。在使能信號(hào)有效時(shí)，場(chǎng)時(shí)序生成器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并產(chǎn)生場(chǎng)同步信號(hào)VS和場(chǎng)消隱信號(hào)VB。行消隱信號(hào)HB和場(chǎng)消隱信號(hào)VB相與后即為數(shù)據(jù)使能信號(hào)DATA_EN。該數(shù)據(jù)使能信號(hào)作為產(chǎn)生幀存地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能，以保證DATA_EN信號(hào)為高時(shí)，將象素送給AMLCD顯示。在DCLK的上升沿，幀存地址計(jì)數(shù)器加一，幀存SRAM經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，象素?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)在總線(xiàn)上。在DCLK的下降沿AMLCD將數(shù)據(jù)讀入。該LCD控制器的設(shè)計(jì)方法很容易用于VGA視頻接口。在VGA接口電路的設(shè)計(jì)中，不需點(diǎn)時(shí)鐘電路，只須將行同步信號(hào)與場(chǎng)同步信號(hào)輸出，將數(shù)據(jù)使能信號(hào)作為復(fù)合消隱信號(hào)輸入即可。產(chǎn)生行場(chǎng)掃描時(shí)序的VHDL描述如下：

entity seq_gen is

port(clk_seq : in std_logic；

rst_seq : in std_logic;

lcd_hs_out : out std_logic;

lcd_dataen : out std_logic;

lcd_vs_out : out std_logic;

pix_clk : out std_logic );

end seq_gen;

architecture rtl_seq_gen of seq_gen is

signal lcd_hb : std_logic;

signal lcd_hs : std_logic;

signal lcd_vb : std_logic;

signal lcd_vs : std_logic;

signal clken_vcount : std_logic;

begin

hcount: block

signal hcountreg :std_logic_vector(9 downto 0);

signal hz_temp : std_logic;

signal lcd_hz : std_logic;

begin

process (clk_seq,lcd_hz)

begin

if (lcd_hz = '1') then

hcountreg <= (others =>'0');

elsif clk_seq'event and clk_seq = '1' then

hcountreg <= hcountreg +1;

end if;

end process;

lcd_hb <= '0' when hcountreg >=600 and hcountreg < 650

else '1';

lcd_hs <='0' when hcountreg >=610 and hcountreg < 630

else '1';

hz_temp <= '1' when hcountreg = 650 else '0';

lcd_hz <=hz_temp or rst_seq;

end block hcount;

diff : block

signal inputrega : std_logic;

signal inputregb : std_logic;

begin

process(clk_seq)

begin

if clk_seq'event and clk_seq='1' then

inputregb <= inputrega;

inputrega <= not lcd_hs;

end if;

end process;

clken_vcount <= not inputregb and inputrega;

end block diff;

vcount : block

signal vcountreg : std_logic_vector(9 downto 0);

signal vz_temp : std_logic;

signal lcd_vz : std_logic;

begin

process (clk_seq,lcd_vz)

begin

if(lcd_vz='1')then

vcountreg <= (others => '0');

elsif clk_seq'event and clk_seq = '1' then

if clken_vcount = '1' then

vcountreg <= vcountreg +1;

end if;

end if;

end process;

lcd_vb <= '0' when vcountreg >=600 and vcountreg < 615

else '1';

lcd_vs <='0' when vcountreg >=607 and vcounreg < 610

else '1';

vz_temp <= '1' when vcountreg = 615 else '0';

lcd_vz <= vz_temp or rst_seq;

end block vcount;

pix_clk <=clk_seq;

lcd_dataen <=lcd_hb and lcd_vb;

lcd_hs_out <=lcd_hs;

lcd_vs_out <=lcd_vs;

end rtl_seq_gen;

這種用VHDL產(chǎn)生掃描時(shí)序的方法簡(jiǎn)單、易讀，并且易于修改。在代碼中只須修改一些時(shí)序參數(shù)就能產(chǎn)生任意時(shí)序的波形，具有很好的可重用性。用FPGA Express 3.5半VHDL代碼綜合后，通過(guò)Foundation 3.1i進(jìn)行布局和布線(xiàn)，用Foundation提供的門(mén)級(jí)仿真工具產(chǎn)生的行掃描時(shí)序仿真圖如圖4所示。

采用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的AMLCD控制器，大大減少了電路板的尺寸，同時(shí)增加了系統(tǒng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。這種用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行場(chǎng)掃描時(shí)序生成器的方法，具有簡(jiǎn)便。易讀和可重用性強(qiáng)的特點(diǎn)。該AMLCD控制器已用Xilinx公司的SpartanII系列器件XC2S50實(shí)現(xiàn)，并在飛機(jī)座艙圖形顯示系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。