基于FPGA及嵌入式CPU(Nios Ⅱ)的TFT - 全文

關(guān)鍵詞： CPU , FPGA , NIOS , 接口 , 嵌入式

1 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，TFT-LCD作為在亮度、對(duì)比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過 CRT的顯示器件，被廣泛用于各種儀器儀表、電子設(shè)備及控制領(lǐng)域中。與之相關(guān)的顯示控制技術(shù)也呈現(xiàn)出越來越多的方式。本文以 640*480的數(shù)字輸入的 TFT-LCD顯示屏為例，介紹了一種基于 NiosⅡ軟核處理器實(shí)現(xiàn)對(duì) TFT-LCD接口的方法。解決了通常情況下必須使用LCD 控制專用芯片才能解決 LCD顯示的問題。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)框如圖1所示。系統(tǒng)是由 FPGA、顯示緩存 RAM、程序執(zhí)行 RAM及 TFT-LCD組成。 FPGA（用虛線圍成）選用的是 ALTER的 EP1C6，RAM采用的是 IDT的 IDT71V547，LCD為 640*480的彩色 TFT-LCD屏。在 FPGA內(nèi)部是由時(shí)序發(fā)生、 地址切換、數(shù)據(jù)分離、調(diào)色電路及嵌入式 CPU（NIOS內(nèi)核）五部分組成。

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圖1 系統(tǒng)組成

3 各器件的功能

3.1顯示緩存RAM

采用 IDT公司的 IDT71V547 128K X 36bit的 SRAM芯片，工作電壓為 3.3V [1]。該芯片作為顯示緩存，TFT-LCD讀取顯示緩存 RAM中的數(shù)據(jù)并將其在 TFT-LCD上顯示。嵌入式 CPU（NIOSⅡ）對(duì)顯示緩存 RAM的改寫就相當(dāng)于對(duì) TFT-LCD顯示內(nèi)容的改寫。

3.2 FPGA

本文 FPGA選用的是 ALTERA公司的 Cyclone 系列中 EP1C6Q240。

3.2.1 時(shí)序發(fā)生電路

首先由外部輸入一相當(dāng)?shù)念l率時(shí)鐘，通過 FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)電路（PLL）生成 100MHz的時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)對(duì) 100MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)生成 50MHz的時(shí)鐘給嵌入式 CPU（NIOSⅡ）作為嵌入式 CPU的工作主頻，同時(shí)生成 TFT-LCD所須的場(chǎng)同步時(shí)鐘、行同步時(shí)鐘、顯示使能時(shí)鐘和 25MHz的 TFT-LCD主時(shí)鐘；生成地址切換控制信號(hào)、數(shù)據(jù)分離控制信號(hào)，由嵌入式 CPU輸出的讀寫信號(hào)產(chǎn)生顯示緩存 RAM的讀寫信號(hào)。

3.2.2 調(diào)色電路

由于文中是以 256色的電路為例，所以，調(diào)色電路是將 8位數(shù)據(jù)譯碼成 3*6位的三基色數(shù)據(jù)，調(diào)色電路也可以是 ROM型或 RAM型。如果作成 RAM型，可以依據(jù)嵌入式 CPU需要顯示的圖象相應(yīng)修改調(diào)色電路，可顯示更豐富的色彩。

3.2.3 地址切換、數(shù)據(jù)分離

此部分電路的作用是：在嵌入式 CPU操作顯示緩存 RAM時(shí)將地址、數(shù)據(jù)線切換到嵌入式 CPU，在 TFT-LCD讀顯示緩存 RAM時(shí)將地址、數(shù)據(jù)線切換到 TFT-LCD。

3.3 TFT-LCD

SHARP公司生產(chǎn)的 6.4英寸液晶顯示屏LQ064V3DG01是較為常用的 TFT-LCD液晶顯示屏，它的分辨率為 640×480×RGB[2]，具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等特點(diǎn)，同時(shí)該顯示屏是一片真彩顯示屏，并屬于透光型的 TFT、其亮度高、視角寬、背光燈的壽命也很長(zhǎng)，并且采用的是 AG涂層和 260K的彩色顯示?？蓮V泛應(yīng)用于各種儀器儀表及各種視頻顯示的場(chǎng)合。

4 主要電路的設(shè)計(jì)

4.1 時(shí)序發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

時(shí)序發(fā)生電路是設(shè)計(jì)的主要部分。首先，是對(duì)系統(tǒng)輸入時(shí)鐘進(jìn)行頻率變換， FPGA(EP1C6)的內(nèi)部有兩個(gè) PLL電路模塊，本文用其中的一個(gè)來生成 100MHz的時(shí)鐘。再設(shè)計(jì)一個(gè) 12位的計(jì)數(shù)器（行計(jì)數(shù)器），計(jì)數(shù) 3200脈沖，產(chǎn)生 TFT-LCD的行同步時(shí)鐘，通過此計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)還可生成 TFT-LCD的顯示使能信號(hào)（DE）。此計(jì)數(shù)器的輸出還是 TFT-LCD讀顯示緩存 RAM地址的低 8位（RAM以 32位數(shù)據(jù)寬度計(jì)算）。另設(shè)計(jì)一個(gè) 9位的計(jì)數(shù)器（場(chǎng)計(jì)數(shù)器），用其對(duì)行同步信號(hào)計(jì)數(shù)又可生成 TFT-LCD場(chǎng)同步的相關(guān)信號(hào)，同時(shí)此計(jì)數(shù)器的輸出可作為 TFT-LCD讀 RAM地址的高9位。

由于嵌入式 CPU與 TFT-LCD是復(fù)用一片顯示緩存 RAM，所以要對(duì)顯示緩存 RAM在時(shí)間上進(jìn)行分時(shí)控制。由于 IDT71V547是 32位數(shù)據(jù)寬度的 RAM，如果將 TFT-LCD設(shè)計(jì)成256色顯示，則讀顯示緩存 RAM一次可顯示 4個(gè)像素點(diǎn)。所以把行計(jì)數(shù)器輸出的 25MHz時(shí)鐘作為基準(zhǔn)（TFT-LCD主時(shí)鐘）、以 25MHz的 4個(gè)周期(T0、T1、T2、T3，T0=T1=T2=T3=40納秒)為基本循環(huán)，在 25MHz的第一個(gè)周期（ T0）由 LCD占用產(chǎn)生“ LCD_讀選通”信號(hào)， (LCD_讀選通= (/12.5MHz)&(/6.25MHz) )。T1-T3由 CPU占用，在 T1-T3周期內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的選通信號(hào)， (T1=(12.5MHz)&(/6.25MHz)、 T2=(/12.5MHz)&(6.25MHz)、T3=(12.5MHz)&(6.25MHz))，由于 CPU什么時(shí)間對(duì)顯示緩存 RAM讀寫是不確定的，所以要根據(jù) CPU的讀寫信號(hào)來確定 T1-T3哪個(gè)為“CPU_RAM_選通”信號(hào)(如果在 T0內(nèi)來 CPU_RW則 CPU_RAM_選通=T2、T1來 CPU_RW則為 T3、T2來 CPU_RW則為 T3、T3來 CPU_RW則為 T1)。此邏輯的實(shí)現(xiàn)方式是，在 CPU_RW信號(hào)產(chǎn)生時(shí)鎖存住當(dāng)時(shí)的 T0-T3的狀態(tài)由此來控制“CPU_RAM_選通”產(chǎn)生的位置。在具體時(shí)序見圖2所示。

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圖2 顯示緩存RAM讀寫時(shí)序

4.2地址切換和數(shù)據(jù)分離電路的設(shè)計(jì)

圖3是地址切換電路中的一位，以這一位為示例 ,可推出 17位地址全部電路。在圖3中 RAM_ADD=（(LCD_ADD&LCD_選通)+(CPU_ADD&CPU_RAM_選通)）且 “LCD_讀選通”信號(hào)與“ CPU_RAM_選通”信號(hào)在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)是有效的，所以當(dāng)“ LCD_讀選通”信號(hào)與“ CPU_RAM_選通”生效時(shí)可將 RAM_ADD切換到相應(yīng)的地址線上。如當(dāng)某時(shí)刻“ LCD_讀選通”信號(hào)與“ CPU_RAM_選通”全無效則 RAM_ADD輸出應(yīng)全為“ 0”。

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圖3 地址切換電路中的一位

圖4是數(shù)據(jù)分離電路中的一位，同樣 ,以圖 4這一位可推出 32位數(shù)據(jù)線。

在圖4中，RAM_R_W= (CPU_RAM_選通)&(CPU_WD),當(dāng) RAM_R_W有效時(shí)， CPU_寫 DATA可通過三態(tài)門輸出到 RAM_DATA上。當(dāng) CPU讀 RAM時(shí)，RAM的數(shù)據(jù)由門電路輸出到鎖存器的輸入端，在數(shù)據(jù)穩(wěn)定后由“ CPU_R_鎖存”信號(hào)將數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器上等待 CPU將數(shù)據(jù)讀走（CPU_R_鎖存=（( / CPU_RD)& CPU_RAM_選通&25MHz&(/50MHz)））。同樣的在 T0周期內(nèi)將 RAM的相應(yīng)數(shù)據(jù)由“ LCD_鎖存”信號(hào)將 32位的數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器上。在相應(yīng)的 T0-T3周期由 T0-T3選擇相應(yīng)的 8位數(shù)據(jù)輸出到調(diào)色電路上，在相應(yīng)時(shí)刻由 “LCD_調(diào)色輸出鎖存”信號(hào)將此像素點(diǎn)數(shù)據(jù)鎖存，由 TFT-LCD讀取此點(diǎn)的三基色數(shù)據(jù)并顯示。

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圖4 數(shù)據(jù)分離電路中的一位

4.3調(diào)色電路

調(diào)色電路實(shí)際為利用 FPGA內(nèi)部的片內(nèi) RAM，由 Quartus 軟件生成的 24位 256字節(jié)的 RAM或 ROM，RAM或 ROM的地址線接 LCD數(shù)據(jù)鎖存器的輸出端后的數(shù)據(jù)選擇電路，數(shù)據(jù)選擇電路是將 32位的數(shù)據(jù)，按 T0-T3所決定的時(shí)間，選擇相應(yīng)的 8位數(shù)據(jù)。當(dāng) T0時(shí)選 D[24]-D[31]、當(dāng) T1時(shí)選 D[0]-D[7]、當(dāng) T2時(shí)選 D[8]-D[15]、當(dāng) T3時(shí)選 D[15]-D[23]。之所以將數(shù)據(jù)選擇設(shè)計(jì)成 T0時(shí)選 D[24]-D[31]，是因?yàn)?TFT-LCD讀顯示緩存 RAM時(shí)，是在 T0周期的末端才能將新數(shù)據(jù)鎖存到“ LCD-讀 DATA”端，新的數(shù)據(jù)只有在 T1周期才能開始顯示。調(diào)色電路的輸出是 3*8=24bit的本文所用的 TFT-LCD是 3*6bit的所以只用相應(yīng) 8bit的低 6bit。如果將調(diào)色電路設(shè)計(jì)選擇 RAM型時(shí)，可以由 CPU改寫調(diào)色電路 RAM，使色彩顯示更加豐富。

4.4 顯示緩存設(shè)計(jì)

顯示緩存 RAM的選擇由 LCD顯示彩色多少?zèng)Q定的，如果顯示 16色可以選擇每像素點(diǎn)占 4bit，這樣每讀一次 RAM可顯示 8個(gè)像素點(diǎn)。以此類推來選擇顯示緩存 RAM的大小和相應(yīng)修改時(shí)序發(fā)生電路的周期。對(duì) CPU的顯示緩存 RAM口的設(shè)置時(shí)，一定要注意顯示緩存 RAM的 CPU讀寫周期與時(shí)序發(fā)生電路的周期相一致，否則會(huì)發(fā)生讀寫錯(cuò)誤。本例設(shè)置的是 160納秒（ T0+T1+T2+T3=160ns）。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于 FPGA及 NiosⅡ軟核處理器與 TFT-LCD接口的主要部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，該設(shè)計(jì)內(nèi)容已經(jīng)在實(shí)際電路上得到驗(yàn)證，并在一些儀器的顯示系統(tǒng)上得到應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于FPGA及NiosII軟核處理器與TFT-LCD接口的方法簡(jiǎn)單可行。它直接采用CPU對(duì)存貯器的讀寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TFF-LCD屏的實(shí)時(shí)操作。


作者：劉源      來源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第4-2期