1、本科毕业设计（论文）（20 届）基于 FPGA 的 LCD12864 的驱动设计所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期目 录摘要. .Abstract. .第一章 绪 论 .11.1 课题背景 .21.2 国内外市场发展情况及趋势 .21.3 课题意义与目标 .31.4 本课题主要研究内容结构安排 .4第二章 系统的硬件结构. .52.1 课题系统整体结构 .52.2 FPGA 简介及其实现的设计 .72.2.1 FPGA 简介 .72.2.2 FPGA 的实现设计的方法 .82.3 LCD 技术及 12864 点整液晶显示器简介 .92.3.1 LCD 技术 .92.3
2、.2 LCD12864 点整液晶显示器简介 .112.3.3 点阵 LCD 的显示原理 .162.4 Quatus软件简介 .172.5 VerilogHDL 硬件描述语言简介 .182.6 FPGA 的 LCD 12684 的控制设计 .19第三章 FPGA 的 LCD 12864 驱动的设计及实现 .213.1 接口电路设计 .213.2 工作原理图及程序 .223.2.1 工作原理图 .223.2.2 工作源程序 .223.3 模块的测试与使用方法 .233.3.1 模块的使用方法 .233.3.2 图像模块的显示 .233.4 进行仿真分析 .24第四章 课题总结评估 .26 4.1
3、本课题总结 .264.2 本课题个人评估 .26参考文献 .27致 谢 .28附 录 .29基于 FPGA 的 LCD12864的驱动设计摘要随着科学技术的飞速发展，社会生产力的提高，电视技术和计算机技术已成为现代信息传播和信息处理的重要手段。视屏图像叠加是多媒体技术应用领域之一，是电视技术与计算机技术结合的产物。视屏符号叠加技术是视屏图像叠加技术的一个分支，它在原来的电视图像信号上实现叠加字符信息。及时给出和增加了原画面无法表达或无法明确表达的信息，使画面图文清晰、美观，从而获得了广泛的使用。本课题的主要任务是设计基于 FPGA 的 LCD12864 控制器的设计。 控制器部分采用 VHDL
4、 语言来进行编写，主题程序主要用状态机作为主要控制方式，图像显示和字符显示是该控制器的主要部分。在的显示功能上采用显示控制模块与字符调用 RAM 相结合的方式，使其能方便的调用液晶自带文字库来显示字符，而图片显示模块则通过特殊的理算法解决了图像显示缓冲区 X 地址不断移位以及上下半屏分开的问题，通过读取图片 ROM 来显示图片。最后实现使用 FPGA在 LCD 上的任意位置显示任意的 16*16 像素的中文字符以及 16*8 的英文字符，另外要能根据输入数据的变化同步变化 LCD 上显示的内容。同时要能将储存模块中的图片数据正常地显示在 LCD 上。本课题的研究有助于关于 FPGA 系列产品的
5、研发，特别是 LCD 产品的研发。由于这些模块的通用性，使更多的采用 FPGA产品上出现了 LCD，大大使其一体化，为我们行业与生活带来了新的变化。关键词： FPGA；LCD12864；图像；字符；控制器 The LCD12864 Driver Based On FPGA DesignAbstractWith the development of science and technology, social productivity improvement, TV technology and computer technology has become the modern informat
6、ion communication and information processing main means. Monitor the image of multimedia technology application domain superposition is one of television and computer technology is the combination of. Tap tap symbols superposition technique is a branch of images stacking technique, it in the origina
7、l TV image signal superimposed character information implemented on. Timely given and increased the original picture cannot express or unable to articulate information, makes the picture graphic clear, beautiful, so a wide range of use.This topic is the task is to design based on FPGA LCD12864 the c
8、ontroller design. Controller part adopts VHDL language to write, theme procedure mainly use state machine as the main control mode, image display and character display is the main part of the controller. The display in used on display and control module and character calls the way of the combination
9、 of the RAM, making it convenient to call LCD display character library to own words and pictures showed module, through the special reason algorithm can solve the image display buffer X address constantly shift and fluctuation half screen separate problem, by reading pictures to show pictures ROM.
10、Finally implementations use FPGA in any position on the LCD display any 16 * 16 pixels of Chinese characters and 16 * 8 English characters, in addition to the changes according to the input data displayed on the LCD synchronous change content. Simultaneously must be able to will be stored module to
11、display the image data on normal in LCD. This topic research helps about FPGA series product development, especially LCD products development. Because these modules of the universal, make more based on FPGA product appeared on the LCD, big ambassador for our industry, its integration with life bring
12、s new changes. Keywords: FPGA，LCD12864，Image，Character，Controller第 一 章 绪 论1.1 课 题 背 景目 前 以 硬 件 描 述 语 言 （ Verilog 或 VHDL） 所 完 成 的 电 路 设 计 ， 可 以 经过 简 单 的 综 合 与 布 局 ， 快 速 的 烧 录 到 FPGA 上 进 行 测 试 ， 是 现 代 IC 设 计 验证 的 技 术 主 流 。 这 些 可 编 辑 原 件 可 以 被 用 来 实 现 一 些 基 本 的 逻 辑 门 电 路 （ 如NOT、 OR、 AND 等 ） 或 者 更 复 杂 的
13、 一 些 组 合 功 能 。 但 在 大 多 数 的 FPGA里 面 ， 这 些 可 编 辑 的 原 件 里 也 包 含 记 忆 原 件 （ 如 触 发 器 ） 或 者 其 他 更 加 完 整的 记 忆 快 。 系 统 设 计 师 可 以 根 据 需 要 通 过 可 编 辑 的 连 接 帮 FPGA 内 部 的 逻辑 块 进 行 连 接 ， 就 好 像 是 一 个 电 路 板 被 放 到 芯 片 里 一 样 。FPGA 一 般 比 专 用 芯 片 （ ASIC） 的 速 度 慢 ， 无 法 进 行 复 杂 的 的 设 计 ， 而且 会 消 耗 更 多 的 能 量 。 但 是 他 们 可 也 快
14、 速 成 品 、 可 以 修 改 程 序 中 的 错 误 ， 而起 价 钱 也 比 较 便 宜 。 所 以 厂 商 会 一 般 会 使 用 编 写 较 差 得 FPGA。早 在 1980 年 代 中 期 ， FPGA 已 近 早 CPLD 设 备 中 扎 根 。 CPLD 和FPGA 包 括 了 一 些 相 对 大 数 量 的 可 编 辑 逻 辑 单 元 。 CPLF 逻 辑 门 得 密 度 在 几千 到 几 万 逻 辑 单 元 之 间 ， 而 FPGA 却 在 几 万 到 几 百 万 之 间 。 CPLD 和FPGA 的 主 要 区 别 是 他 们 的 系 统 结 构 。 这 系 统 结 构
15、 由 一 个 或 者 多 个 可 编 辑 的结 果 之 和 的 逻 辑 组 列 和 一 些 想 多 少 量 的 锁 定 寄 存 器 。 这 样 的 结 果 是 缺 乏 编 辑灵 活 性 ， 但 是 却 又 可 能 预 计 的 延 迟 时 间 和 逻 辑 单 元 对 连 接 单 元 高 比 率 的 优 点 。而 FPGA 却 是 有 很 多 连 接 单 元 ， 这 样 虽 然 让 它 可 以 更 加 灵 活 的 编 辑 。本课题主要任务是设计基于 FPGA 的 LCD12864 控制器的设计。控制器部分采用 VHDL 语言来进行编写，主题程序主要用状态机作为主要控制方式，图像显示和字符显示是该控
16、制器的主要部分。在显示功能上采用显示控制模块与字符调用 RAM 相结合的方式，使其能方便的调用液晶自带文字库来显示字符，而图片显示模块则通过特殊的理算法解决了图像显示缓冲区 X 地址不断移位以及上下半屏分开的问题，通过读取图片 ROM 来显示图片。最后实现使用 FPGA在 LCD 上的任意位置显示任意的 16*16 像素的中文字符以及 16*8 的英文字符，另外要能根据输入数据的变化同步变化 LCD 上显示的内容。同时要能将储存模块中的图片数据正常地显示在 LCD 上。本课题的研究有助于关于 FPGA 系列产品的研发，特别是 LCD 产品的研发。由于这些模块的通用性，使更多的采用FPGA 产品
17、上出现了 LCD，大大使其一体化，为我们行业与生活带来了新的变化。1.2 国内外市场发展情况及趋势高清晰 TV（HDTV ）是液晶显示（LCD）技术的最新应用领域，它比标准LCD 技术需要更高的分辨率，而数据速率和功耗也增加了。因为提高了数据速率，所以高速运动视频需要专门的图像处理算法。这些算法可以在现场可编程门阵列（FPGA）中实现，将数字视频信号正确的转换、映射在显示面板上。LCD 设计人员采用 FPGA，可以灵活的重新配置图像处理算法，在相同硬件平台上，使所有产品中不同尺寸的 LCD 能够适应不断增加的数据速率。特别是在数字消费类市场上，FPGA 能够为数字电视和显示提供最有效的成本、性
18、能和灵活性均衡方案。LCD TV 制造商可以充分利用 FPGA 技术，实现产品及时面市，使产品迅速进入零售渠道，在竞争中占据最有利地位。一个 LCD 系统可以围绕 FPGA 展开设计，其中运行实时嵌入式操作系统的 FPGA 协处理器控制整个显示设备。研究人员不仅可以在显示的中心控制部分采用 FPGA，在专用处理数据通道上也可以采用 FPGA。比如，FPGA 非常适合实现一些可选显示功能，对视频流进行实时图像缩放处理。最新一代 FPGA 含有经过优化的硬件编码数字信号处理（DSP）模块，组成视频和图像处理的基本单元。DSP 模块的高速并行处理能力适用于图像处理等需要较大数据吞吐量的 DSP 应用
19、。最常用的 DSP 函数包括有限冲击响应（FIR）滤波、复杂 FIR 滤波、快速傅立叶变换（FFT ） 、离散余弦变换（ DCT）以及相关算法等。这些函数是 HDTV 和其他复杂 LCD 应用的基本构建模块。在 LCD 系统中使用 FPGA 技术还具有另一个好处系统研究人员可以在产品整个生命周期中进行多次编程设计，这一关键特性使设计人员不必重新设计整个系统，就可以在产品更新换代中不断增加产品新功能。随着市场竞争越来越大，液晶显示器厂商的成本压力也越来越大，他们必须采用更简单的线路设计实现液晶显示器的功能，从而降低成本，这样才能在市场竞争中立于不败之地。 LCD 控制 IC 必将向高集成度方向发
20、展，以满足市场需要。但在 LCD 的应用以及市场方面，虽然手机仍然是中小尺寸液晶显示屏(LCD)的最主要应用设备，但便携导航设备(PND)、数码相框和 MP3/便携媒体播放器(PMP) 等新型设备，正在该市场的销售额中占有越来越大的份额。因为这些产品所使用的显示屏大于手机所用的显示屏，所以在供应商的工厂中同样需要更多的面板，这对于 LCD 面板生产商来说是个绝好的机会。各种中小尺寸LCD 的产能扩张和价格下降，促进了其应用领域的多元化。这又进一步刺激了需求，并吸引许多其它产品来采用中小型 LCD，如白色家电和零售标牌。大多数行业内的公司认为，为了利用手机市场和新兴产品，中小尺寸显示屏供应商必须
21、相应地平衡和调整策略，否则就可能错失整个市场。目前该领域的发展趋势如下： 提高集成水平，即怎样把更多的功能电路集成到一个芯片上以降低整个系统的成本。 需求最小化动态补偿间隔行算法，在提高图像质量的基础上减小芯片面积，从而帮成本降到最低。 在低端和低价位系统中，动态自适应性隔行转逐行没有被实现，但在高端产品中，此项技术是必须实现的，因为图像清晰度是必须的。1.3 课题意义与目标本课题的主要内容是基于 FPGA 的 LCD 控制器的设计研究，并兼顾程序的易用性以方便以后模块的移植。该课题设计到 FPGA 得应用，LCD 驱动的研究，字符以及图像显示模式的研究等知识。并利用 QUARTUS II 实
22、现相关模块的设计，在 FPGA 上实现对 LCD 的控制，显示任意中文，英文和图像。本课题研究的主要目标有： 掌握 FPGA 对 LCD 的控制方法，使其为本课题研究做好理论准备； 通过 FPGA 对 LCD 的控制，使得任何开发者都可以较为简单的通过显示控制模块在液晶显示器上显示所需要的内容； 算法的实现：对于 12864 的特殊图像 RAM 对应 LCD 的显示形式，采用特定的算法，使其取模后的图像得到所对应的数组，无需经过处理便可以通过 FPGA 显示在 LCD 上。其课题难点主要有： 12864 的液晶模块指令比较复杂，采用 FPGA 设计需要定义的变量和状态相比也会很多； 中文和英文
23、字符的显示部分程序要考虑该程序的易用性，使其方便来移值后的使用； 对于图像显示部分，由于 12864 的内部图形显示 GDRAM 的地址寻址方式的独特性，并不是都是从 0 到 15 循环的，而是随着行数的增加会做一个移位，同时在 LCD 屏幕上的点阵也被拆分为上下两个半屏，其分别对应 Y 地址的 0-8 和 8-15，这会导致取模后的图形所对应的数组，如果按照普通的方法则不能正常显示。1.4 本课题主要研究内容结构安排本课题一共分为四个章节，首先第一章是绪论部分，论述了基于 FPGA 技术的 LCD12864的设计背景、方法、意义及其目标；第二章主要介绍系统的硬件结构，大致包含 FPGA 与 LCD12864模块的特点及原理图，以及 Quatus和verilogHDL 软件简介的介绍；第三章主要介绍各个模块是怎样设计与实现的；最后一章则是该设计的总结、分析及展望。
