1、本科毕业论文（20 届）基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要并行液晶显示器在现代电子产品中的得到了广泛应用，而当前基于 FPGA技术所开发的电子产品也越来越层出不穷，因此，本文提出了基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计的设想，并给出了显示系统的设计方案以及详细的实现方法，最终将编程好的硬件描述语言下载到 FPGA 开发板进行了功能验证。本文的设计是将 Digilent 公司的 Nexys4 开发板作为开发平台 ，然后借用硬件描述性语言 Verilog HDL 来描述要实现的功能。Nexys4 开发板的核
2、心 FPGA 芯片是 Xilinx 公司的 Artix-7 系列芯片。本文首先分别阐述了 Nexys4 开发板、Artix-7 芯片、PmodCLP 显示屏和键盘PmodKYPD 的概况及内部电路图，其次介绍了开发板的接口方案。最后介绍了功能的设计流程图，其中包括 PmodCLP 显示屏产生字符的 CGRAM 和显示字符 DDRAM 的地址等的设定及字符的设定等等。本设计是借助于 ISE 软件平台，在 Verilog HDL 的开发环境下进行的硬件语言的描述。根据总体开发板的结果验证表明，该设计达到了所预想的循环左移、双行显示、闪烁、键入一系列的功能。即本设计能够解决基于 FPGA 的并行液晶
3、显示的问题，对于 FPGA 在液晶显示领域内未来的发展有一定的参考价值。关键词：FPGA,；Nexys4 开发板,；PmodCLP 显示屏 ,；Verilog HDLIIAbstractFor parallel LCD widely getting application on modern electronic products and technology that is based on FPGA developed electronic products getting more and more, so this test put forward the assumptions th
4、at parallel LCD system that is based on FPGA, and also it gives design plan of parallel LCD system and detailed realizing method, at last download the hardware descriptive language into FPGA development board to carry on functional verification. The design of this text makes the Nexys4 board from Di
5、gilent company for development platform, and describe functions by hardware descriptive language .The FPGA chip of Nexys4 development board is the chip that the series of Artix-7 from Xilinx company. At first, this text separately states the summary and internal circuit diagram of Nexys4 board, Arti
6、x-7 chip, PmodCLP monitor and keyboard PmodKYPD. Secondly it introduces the interface program of development platform. And at last, it presents the design flowchart of functions, and it includes the address settings of CGRAM that generate characters and DDRAM that display characters, and also the ch
7、aracters settings.The design is the description of hardware language under the developed environment of Verilog HDL with the help of ISE software board. According to the result of integral development platform ,it indicates that this design achieved the funtions of circle shifting, double lines disp
8、laying, blinking and keying. So this design could figure out the problem of parallel LCD system, and it has certain reference value to the future development of FPGA on LCD field.Keyword: FPGA, Nexys4 development platform, PmodCLP monitor, Verilog HDLIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 FPGA 研究背景 .11.1.1 FPGA 简介 .1
9、1.1.2 FPGA 发展史及其发展前途 .11.1.3 可编程逻辑器件 .21.2 LCD（Liquid Crystal Display）的研究背景 .31.2.1 LCD 的起源及其发展应用 .31.2.2 液晶显示器 .31.3 本章小结 .4第 2 章 基础知识 .52.1 硬件描述语言的现状及其发展 .52.2 编程语言 Verilog HDL .62.2.1 Verilog HDL 发展史 .62.2.2 Verilog HDL 语言的应用能力 .62.3 应用软件 ISE.72.3.1 软件 ISE(Intergrated Software Environment)介绍 .72.
10、3.2 软件 ISE 的应用步骤 .72.4 本章小结 .9第 3 章并行液晶显示系统的设计方案 .103.1 FPGA 开发平台介绍 .103.1.1 开发板 Nexys4.103.1.2 显示器 PmodCLP .133.1.3 键盘 PmodKYPD.183.2 基于 FPGA 开发板的并行液晶显示方案设计 .203.3 本章小结 .21第 4 章 基于 FPGA 的并行液晶显示系统的验证 .224.1 Verilog HDL 的功能设计流程图 .224.2 ISE 工程描述 .224.3 功能设置与描述 .234.3.1 循环左移功能 .234.3.2 双行显示功能 .24IV4.3.
11、3 字符闪烁功能 .254.3.4 PmodKYPD 键入功能 .264.3.5 清屏功能 .274.3.6 LCD 运行前的准备程序 .274.4 功能验证 .274.4.1 循环左移功能验证 .274.4.3 字符闪烁功能验证 .294.4.4PmodKYPD 键入功能验证 .304.5 本章小结 .31结论 .32参考文献 .33致 谢 .34基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计1基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计第 1 章 绪论本章是基于对本文的课题基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计的初步分析而着手了解 FPGA 和显示屏 CLP 等的知识概况。第一节介绍了 FPGA 的发展
12、史及该行业未来的发展状况，也侧面展现了基于 FPGA 并行显示行业未来的发展前途，它还对可编程逻辑器件有了简单的概述。第二节是介绍了液晶显示屏的工作原理、液晶显示屏的分类及其技术指标等等，将对后续的设计给予帮助。1.1 FPGA 研究背景1.1.1 FPGA 简介现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）是以可编程器件（PAL、EPLD、GAL 等）为基础而进行发展得到得产物。它不但能够弥补定制电路的不足，还可以解决原有可编程器件门电路数有限的问题。FPGA 芯片的工作状态是由其内部的 RAM 的程序来控制的。所以，用户可以根据自身所需的不同的模式
13、来对内部的 RAM 进行不同方式的编程。FPGA 配置电路含有主模式、从模式及 JTAG 三种模式。主模式又可分为单比特流的串行模式和字节宽度比特流的并行模式。根据比特流的位宽来分，从模式也可分为串行模式及并行模式。不同的模式，对内部 RAM 的编程方式也是不同的。在加电的时候，FPGA 将 EPROM 的内部数据读入 RAM,读入完成时，芯片正式开始进入工作模式。在断电时，芯片变成白片，FPGA 的内部逻辑关系将会消失。所以，FPGA 也可以进行新的编程模式来供用户选择。芯片的内部编程不需要专用的编程器，可以用 EPROM 和 PROM 等来代替编程器。因此就可以在用户需要不同的功能时，只改
14、变编程器，不需要改变整个芯片即可根据编程数据的不同，产生功能不同的电路。1.1.2 FPGA 发展史及其发展前途在 1985 年，对于全世界来说的第一款 FPGA 产品-XC2064 被生产出来。但当时需要大量芯片的 PC 机还没有广泛的进入市场，因特网也未广泛适用于非政府机关等地方，无论是对于当时的无线电话还是 Bill Gates,这款 FPGA 产品都基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计2没有什么可用之处。但在 22 年之后的 2007 年，FPGA 已经得到广泛发展。从最初的由 2 微米工艺，60 多个逻辑模块，85000 多个晶体管和少于 1000 个的门数量组合，到后来的 65
15、纳米工艺，超过 10 亿个的晶体管和千万级的门数量的 FPGA 产品的组合的转变，FPGA 行业正在快速的进行发展，与此同时 FPGA 也推动了半导体事业的不断进步。FPGA 产业领域从初始只是单纯的逻辑器件到后来拥有平台概念，其不断加入高端技术，从而使其得到更广泛的应用。相对于 DSP 批量系统来说，FPGA产业有成本高、功耗大的观点存在，但随着产业的发展，FPGA 正在向 DSP 领域加速渗透，该难题已经成了 FPGA 行业未来发展的希望。在消费类、工业、无线通信等应用领域，多家公司已经采用 ALTERA 公司宣布发售的 FPGA-Cyclone III 系列进行设计应用。FPGA-Cyc
16、lone III 系列有4Mbits 的存储空间， 5000 到 12000 个逻辑单元和 280 多个 DSP 乘法器，与之前的系列工艺相比，FPGA-Cyclone III 系列有着成本低、功耗低、性能高等多方面性能的改善。生产 FPGA 系列产品的赛灵思公司也在 FPGA 中掺入 DSP 技术XtremeDSP。XtremeDSP 在生产航天产品、军用产品、数字通信产品和多媒体等行业得到了广泛的应用。由此可见，未来 FPGA 将代替 DSP 的观点是有极大的可能性的。有关人士表示，ST 等半导体公司已经通过应用 Cortex-M3 这一技术推出产品 MCU，ARM 核应用于 FPGA 行
17、业的未来发展也会更好。综上所述，FPGA 产品今后的发展方向即为更高密，更高速，更宽频带，更低压，更低功耗。1.1.3 可编程逻辑器件相比于其他数字芯片，可编程逻辑器件（PLD，Programmable logic device）的内部电路可以根据客户的需求修改。该功能是基于 PLD 含有可重写的存储器技术。按照可编程逻辑器件的复杂度分以分为简单可编程逻辑器件（SPLD，Simple Programmable Logic Device）和复杂可编程逻辑器件（CPLD, Complex Programmable Logic Device）两类；如果按结构来分，可以分为与或阵列结构器件和查找表结构
18、器件；PLD 按照工作方式来分可分为可编程只读寄存器（PROM，Programma -ble Read Only Memory） ，可擦除可编程存储器（EPROM，Erasable Programmable Read Only Memory） ，可编程逻辑阵列（PLA，Programmable Logic Array） ，可编阵列逻辑（ PAL，Programmable 基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计3Array Logic）和通用阵列逻辑（GAL，Generic Array Logic）等几种。可编程逻辑器件设计的输入是以硬件和软件为操作平台，借助开发软件来编程所需的代码。常用的输入
19、模式有输入原理图和输入硬件描述性语言两种。1.2 LCD（Liquid Crystal Display）的研究背景1.2.1 LCD 的起源及其发展应用在 19 世纪末期，世界首次发现了液晶这种物质的存在，液晶具有液体流动性和类似排列的特性。在电场的作用下，液态晶体的分子排列顺序及光学性质都会相应的发生变化。该现象被起名为“电光效应” 。利用这种效应，上世纪英国科学家制造出来第一块 LCD 显示板。LCD 的优点有重量较轻，体积较小，厚度比其他显示屏更薄，其工作电压较低，并且耗能少等等。LCD 的缺点有如下的四点。其一，其本身是自己不发光的，LCD 是需要借助别的光源才可被发光；其二，LCD
20、本身是有视角的限制存在的；其三，LCD的响应速度略差，其响应时间为 30 毫秒到 120 毫秒之间;其四，LCD 对其本身的操作温度是有限制的。从 1986 年到 2001 年，LCD 因其成本过高没有得到广泛应用。因此当时也只应用于计算器、电子表等领域。在 20 世纪 70 年代初，世界上第一台单色液晶显示设备-扭曲向列（TN-LCD，Twisted Nematic Liquid Crystal Display）成功被生产出来。1.2.2 液晶显示器液晶显示器的工作原理是它可由不同的分层结构组成。液晶显示器由厚度约 1mm 的两块板子构成，并且由 5 微米的液晶材料均匀隔开。在液晶显示屏下边
21、沿放置灯管，作为光源供给本身并不发光的液晶材料。而且液晶显示屏的背面有一块提供均匀光线的均光板和反光膜。均光板提供的均匀光线穿过第一层偏振后即进入液晶层。液晶层被分为成千上万的单元格，而且一个或者多个单元格即组成一个像素。每个像素中含有透明的电极，有行列之分。因此即可通过改变行列交点处的电压来改变液晶的旋光状态。而且若在平板中间填充滤光层，可实现显示出彩色的图像的功能。液晶可分为向列液晶、胆甾相液晶和层向列液晶三种。向列液晶的液晶分子沿着某一个方向择优分布，并且其重心按无排序分布。胆甾相液晶的空间分布是为连续的螺旋结构分布，在垂直于螺旋轴的平面上，胆甾相液晶的液晶分基于 FPGA 的并行液晶显
22、示系统设计4子的分布类似于向列液晶的分布方式。层向列液晶与向列液晶相似，即为液晶分子沿着某一个方向择优分布，但其重心是按有序的排列分布。液晶的特性有光学异向性（Optical anisotropy ）和介电异向性（ Dielectric anisotropy）两种。光学异向性其具体的特性即为双折射；介电异向性的特性即为在介电异向性中，当液晶分子的主轴和电场方向垂直或者平行时，即产生两个不同的介电常数。LCD 按分子扭曲程度的分类可分为扭曲向列型（Twist nematic） 、高扭曲向列型（High Twist nematic） 、超扭曲向列型（Super Twist nematic） 、补偿
23、膜超扭曲向列型（Film Super Twist）和薄膜晶体管（Thin-film transistor）五种类型。扭曲向列型（Twist nematic） ，其价格既便宜应用范围又广；高扭曲向列型（High Twist nematic ） ，其视角比扭曲向列型（Twist nematic ）更宽，生产更容易，价格更便宜；超扭曲向列型（Super Twist nematic） ，其含有视角宽，显示模式多类，可实用范围广，多路驱动可实现，信息量可显示更多等优点；补偿膜超扭曲向列型（Film Super Twist） ，其含有 Super Twist nematic(超扭曲向列型)的所有优点，并且
24、底色更好，更易生产，黑白显示的效果更好。LCD 按显示方式分为半透射、全透和反射三种类型。LCD 的显示方式可分为正性显示（Positive）和负性显示（Negative）两种。LCD 含有电光响应、驱动电压、对比度、视角范围、观测位置、响应速度、功耗和温度特性等主要技术指标。LCD 的相对透光率随外加电压的变化才变化的特性叫做电光响应。可使其正常工作的电压即为驱动电压。显示状态与非显示状态的相对透光率的比值即为对比度，当对比度大于等于 5 时，即图像清晰。对比度随着观察角度的变化范围即为视角范围。人眼反应时间为 100 毫秒，因此高于 100 毫秒的时间的外加信号电压变化的时间即为响应速度。
25、功耗的大小取决于显示面积、电阻率、频率、及其介电常数等等。液晶材料在适当的温度范围内是以液晶态显示的，因此温度的变化也会改变液晶的参数，该特性即为温度特性。1.3 本章小结本章介绍了 FPGA 的概况及其发展前途，可编程逻辑器件的概况及其分类，显示屏的概况及其工作原理，很好的阐述了该课题的设计背景和现有的资源状况，表明了该设计的目的，也突显出了 FPGA 并行显示行业未来广阔的发展空间。基于 FPGA 的并行液晶显示系统设计5第 2 章 基础知识本章很好的介绍了本文的硬件描述语言 Verilog HDL 及开发环境 ISE 软件。第一节很好的阐述了目前的硬件语言的发展状况和未来的发展趋势，还介
26、绍了基本的 Verilog HDL 硬件编程语言的基本知识。第二节介绍了所使用的开发环境 ISE 软件，不仅概述了其本质，也为用户列出了基本的使用流程及 ISE 具体的应用方式分类。2.1 硬件描述语言的现状及其发展硬件性描述性语言到目前为止已经有二十多年的历史背景了，它已成功的应用于设计的每个阶段，一直到 1980 年，已经拥有了上百种的硬件性描述语言，这对电子行业，FPGA 行业有着极大的影响力和推动力。但因其语言种类繁多，不可能每种硬件语言都得到大家的广泛认同与应用，这种局势一直延续到了 20世纪 80 年代后期左右才被打破。所以以 IEEE 为标准的既可以设计多领域也可多层次的硬件性描
27、述语言 VHDL 语言和 Verilog HDL 语言得到广泛应用。随着社会的不断发展，越来越多的满足当时需求的硬件性描述语言被提出并得到发展，像是 Superlog 和 SystemC 等等。而目前来说，C+和 HDL 语言广泛得到应用和认可。如今被开发的 Superlog 硬件描述语言是结合了 C+、Java及 HDL 的特点开发出来的。在 1999 年的时候，名为 Co-Design Automation 的公司研发并发布出来用于系统级开发的 SYSTEMSIMTM 及用于高级验证的 SYSTEMEXTM 的两种开发工具。2001 年时，该公司又发布了扩展综合字迹 ESS，从而使 Sup
28、erlog 得到更好的应用。Superlog 语言在硬件行业是具有良好的应用前景的。而对于随着半导体行业发展而开发的描述性语言 SystemC 来说，它能满足于同时实现并完成硬件和软件的高层次的需求。该语言是由 Coware 和Synopsys 公司合作开发出来的。SystemC 语言是建立在 C+的内容上而得来的；它的上层结构都需明确建立在下层结构的基础上而来的；它的内核可作为提供用于并行、通信、体系结构及同步时钟的描述的模块；支持描述内核以外的数据类型和用户定义的数据类型；可在其内核基础上建立类似 FIFO 的通信方式及计算机模块；该语言可以让用户不局限于成层次的自由选择，通过建立自己想要的模型来进行仿真与优化、验证与综合等等。未来的发展趋势也就是设计要求，再利用，验证及其对电源和噪声等的要求。未来的芯片设计发展也将会满足更加的高性能高效应的需求。
