基于MAX II系列CPLD 的LCD控制器設計

0前言

液晶顯示屏(LCD)是薄型平面顯示設備，由排列在光源或者反射器之前一定數量的彩色或者單色象素構成。這類顯示屏已經成為大部分嵌入式系統不可缺少的組成部分。但是在嵌入式系統中八位和十六位微處理器大多沒有內置的LCD控制器，又由于LCD屏的分辨率很高，即使有內置的LCD控制器，也較難進行控制；另外內置LCD控制器對內存帶寬的占用較高，使控制器所能支配的資源也會變得非常有限。因此在微處理器和LCD屏之間加上一個LCD控制器是非常必要的。常用的LCD控制器主要有兩種：專用的控制芯片和基于可編程器件的控制器。本文采用Altera公司的MAX II系列CPLD器件來實現LCD控制器。CPLD一般使用外加的串行EEPROM來存儲非易失信息，而MAX II CPLD是唯一具有用戶閃存(UFM)的CPLD，它支持用戶存儲高達8Kbits的非易失信息，因此不需要采用外部存儲器，并且在實現LCD控制器時還可以利用CPLD的內部UFM振蕩器來滿足時鐘需求，從而避免了采用外部時鐘信號。這些獨特的功能使MAX II CPLD成為實現LCD控制器最好的目標器件。

1 嵌入式系統的LCD接口電路結構

基于MAX II CPLD的LCD接口電路一般采用圖1所示結構。圖中LCD接口電路負責接受微處理器的配置，通過總線把DRAM上保存的顯示數據讀出，然后按照屏類型和顯示設置轉換為需要的格式，并按照屏時序要求發送出去。在設計顯示控制器時，需要注意如下幾個方面：支持的屏類型、總線類型的選擇、同微處理器之間的交互方式、動態圖像顯示和中斷設計?；贑PLD的LCD控制器可以提供合適的顯示單元，它產生需要的時序信號，滿足LCD的時序要求，同時卸載了微處理器和控制器繁重的LCD處理任務，從而提高了處理器和控制器執行其他操作的效率。

2 LCD 控制器組成與接口信號

2.1 LCD 控制器組成

由圖1可知,LCD控制器有三個主要模塊：有限狀態機(FSM)、時鐘分頻器和用戶閃存(UFM)模塊。

1、初始化LCD和有限狀態機模塊

FSM模塊有8個不同的狀態。它用于初始化LCD，初始化完成后顯LCD進行讀寫操作。圖2所示為LCD模塊的初始化步驟。為簡化初始化過程，每次發送一條命令后，延時15ms(而不是檢查忙標志的狀態)。但是向LCD模塊寫入數據時，每一數據寫操作之后，要檢查忙標志的狀態。這樣就加速了寫操作過程。

2、時鐘分頻器模塊

時鐘分頻器模塊主要是降低內部振蕩器輸出頻率，從而滿足了LCD模塊的時序要求以及控制器的性能要求。該模塊把振蕩器輸出信號osc的頻率由.5MHz降低到43kHz左右。降低頻率以后的信號（即Clk信號）從時鐘分頻器模塊輸出（見圖3）。該模塊主要代碼為：
module divider (osc, clk);
input osc;
output clk;
reg clk;
reg [6:0]count;
initial
begin
count = 7'b0000000;
end
always @ (posedge(osc))
begin
count = count + 7'b0000001;
clk = count[6];
end
endmodule

3、用戶閃存模塊

MAX II CPLD中的用戶閃存UFM模塊主要用于存儲LCD控制器打開之后，需要在LCD屏上顯示的信息。采用十六進制(Intel格式)文件(.hex)對UFM進行設置，并利用UFM宏功能進行例化。

UFM模塊接口信號主要有addr、nread、do、dv、osc和clk信號：

Addr為9位地址總線，用于選擇UFM的某一存儲位置。
nread 若該信號設置為0，以讀取地址總線所指向存儲器的內容。
do 為數據輸出信號。8位數據總線，保持地址總線所指向16位存儲器的高8位。
dv 為數據有效信號。該信號指示8位數據總線上的數據有效并且可讀。
osc 為UFM模塊內部振蕩器輸出。輸出信號到時鐘分頻器，輸出頻率為5.5MHz。

2.2 LCD 控制器接口信號

1、LCD控制器與LCD屏之間的接口信號

LCD控制器與LCD模塊之間的接口信號有E、RS、RW 、DB0-DB7：
E為使能選通信號。該信號下降沿將雙向總線上的數據鎖存到數據或者命令寄存器中，反之亦然。
RS為寄存器選擇信號。用于選擇LCD模塊的數據和命令寄存器。當RS=0時為命令寄存器；
RS=1時為數據寄存器。
RW為區分讀寫操作的讀寫信號。RW=0：寫操作；RW=1：讀操作
DB0-DB7為8位雙向總線，承載LCD模塊的數據和命令。

2、LCD控制器與微處理器之間的接口信號

LCD控制器與微處理器之間的接口信號有DATA0-DATA7、RST、WE、ACK：
DATA0-DATA7 為處理器和控制器的8位總線，承載LCD模塊上顯示的ASCII字符值。
RST 為復位信號。該信號用于復位控制器，再次初始化LCD模塊。
WE 為寫使能信號。該信號指示寫周期的開始。應將它設為低電平，使能對LCD模塊的寫操作。
ACK 為應答信號。該信號指示數據已經成功地發送到LCD模塊，準備接收后面的數據。

在此信號變為低電平之前發送的任何數據都被控制器忽略。

3設計與仿真

本設計通過MAX II CPLD EPM240ZM成功地實現了處理器和LCD模塊的接口，圖5-圖7分別給出了LCD控制器的整體模塊、綜合結果和仿真波形。

4結論

本設計采用MAX II系列CPLD器件EPM240ZM來實現LCD控制器，解決了微處理器與LCD顯示模塊之間的接口問題，并在OptrexSC1602D 16×2字符LCD模塊上實現了嵌入式系統的顯示功能。由于是使用一片MAX II CPLD芯片完成LCD全部的時序控制、顯示控制等功能,所以是接口電路變得更加簡潔、可靠，具有很好的應用價值。

本文作者創新點: 使用唯一具有用戶閃存(UFM)的MAX II CPLD，不需要采用外部存儲器就實現了LCD 全部的時序控制、顯示控制等功能，使LCD 接口電路變得更加簡潔、可靠。