摘要：通過對LCD1602／LCD12864顯示模塊控制時序和指令集的對比分析，利用Verilog HDL描述語言完成了多功能LCD顯示控制模塊的IP核設計，所設計的LCD顯示控制器具有很好的可移植性，只需通過端口的使能參數配置便可以驅動LCD1602／LCD12864模塊實現字符或圖形的實時顯示，并且該多功能LCD控制器的可行性也在CycloneⅡ系列的EP2C5T144C8 FPGA芯片上得到了很好的驗證。
　　關鍵詞：FPGA；LCD顯示控制器；IP棱；有限狀態機
　　在許多嵌入式系統應用領域，都需要友好的人機信息界面，傳統的數碼管或者發光二極管顯示方式已經不能滿足實際的顯示需求，而LCD1602／LCD12864液晶顯示模塊具有低壓微功耗、壽命長、顯示信息量大、超薄等顯著優點，被廣泛應用于智能儀器、儀表等各種便攜式電子信息產品上來實現數字、字符和圖形的可視化信息顯示。目前，針對LCD1602／LCD12864液晶模塊的顯控技術主要有兩種方式，首先是基
　　于各種微處理器(8051／ARM／NoisⅡ／SPCE061)的微程序控制方式，這種軟件組態的LCD模塊控制技術應用廣泛，但是這種控制方式會占用處理器資源、速度慢、實時顯示性能較差。其次，就是使用CPLD／FPGA開發的獨立顯示控制器，這種純硬件結構的獨立顯示控制器，速度快、實時顯示性能好；但是這種獨立顯示控制器可移植性差、功能單一，很難適應不同類型的液晶屏及不同的顯示模式。
　　因此，文中就提出了一個基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設計方案，只需通過端口的使能參數配置便可以驅動LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊實現字符或圖形的實時顯示，并在FPGA開發板(EP2C5T144C8)上進行了該設計的可行性驗證。
　　1 多功能顯示控制器的端口設計
　　要設計能夠驅動LCD1602／LCD12864兩種液晶模塊的多功能顯示控制器，就必須同時兼顧這二者的封裝端口引腳和用途；對多功能顯示控制器的端口做出兼容性設計。
　　LCD1602液晶模塊是一款最常用、最便宜的工業字符型液晶顯示屏，它可以顯示16x2個、5x7的點陣字符，模塊的字模存儲器CGROM(Chara cter Generator ROM)中固化192個常用字符的字模，另外還有8個允許用戶自定義的字符存儲器CGRAM(Character Generator RAM)。可以用于少量的自定義圖形顯示(如漢字)。由于顯示單元位間隔和行間隔的存在而導致顯示效果不好，因此LCD1602模塊主要用于西文、ASCII碼字符的顯示，該模塊擁有1個16引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義如表1所示。
　　

　　目前，常用的LCD12864模塊是一種內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣型圖形液晶顯示模塊；具有串／并多種接口方式，內置了8 192個16x16點漢字和128個16x8點ASCⅡ字符集，它在字符顯示模式下可以顯示8x4個16x16點陣的漢字或16x4個16x8點陣的西文(ASCH)字符；它也可以在圖形工作模式下顯示分辨率為128x64的二值化圖形，該模塊擁有1個20引腳的單排插針外接端口，端口的功能定義與LCD1602的對比如表1所示。
　　通過表1所示的LCD12864和LCD1602兩種液晶模塊的端口對比可以看出，它們的端口定義基本相同，LCD12864模塊只比LCD16021模塊多了PSB(串并選擇)和RST(復位端)端口，因此；可以完全按照LCD12864的端口要求來設計多功能LCD顯示控制器的端口；PSB和RST端口在驅動LCD 1602模塊時閑置或懸空(也可以用來充當某些特殊LCD1602屏的電源開關和背光開關信號)。
　　2 多功能顯示控制器的操作時序
　　如果LCD12864液晶模塊工作在并口的數據傳輸模式(PSB=1、RST=1)下，就和LCD1602液晶模塊具有完全相同的控制時序，這就要求多功能控制器產生的E、RW、RS控制信號具有正確的時序，LED模塊的讀／寫操作時序由使能信號E完成：對讀／寫操作的識別是判斷RW信號上的電平狀態；RS信號用于識別數據總線DB0～DB7上的數據是指令代碼還是屬于顯示數據，控制信號的操作時序如圖1所示。
　

　　在如圖1所示的操作時序圖形中，LCD模塊都給出了關鍵時間參數(不同廠商產品有差異)，一般要求數據讀寫周期TC≥13μs；使能脈沖寬度TPW≥1．5 μs；數據建立時間TDSW≥1μs；數據保持時間TH≥20 ns；地址建立和保持時間(TAS和TAH)不得小于1．5μs，因此在多功能LCD顯示控制器IP核的設計中，必須設置有延時配置參數以滿足控制器的多種模塊驅動調試。

　　LCD12864和LCD1602液晶模塊都有自己一套嚴格用戶指令集，用戶就是通過這些指令來初始化液晶模塊來選擇顯示模式，這就要求多功能的LCD顯示驅動器同時包含多種顯示模式的用戶配置指令，LCD12864和LCD1602液晶模塊字符、圖形顯示模式的初始化指令如表2所示，對于指令的解釋在此不再詳述。
　　通過表2的指令對比可以看出兩種顯示模塊的字符顯示初始化指令完全一致，僅僅是顯示行的起始地址有所不同；這就需要在LCD多功能顯示控制器中設置參數跳轉，來根據模塊配置參數自動加載相應的行起始地址，而對于LCD模塊的圖形顯示模式需要用到擴展指令集，并且需要分成上下兩個半屏設置起始地址，上半屏垂直坐標Y：8’h80~9’h9F(32行)，水平坐標X：8’h80；下半屏垂直坐標和上半屏相同，而水平坐標X：8’h88。
　　3 多功能顯示控制器的狀態機設計
　　基于FPGA設計LCD顯示控制器，關鍵在于采用硬件描述語言設計有限狀態機(FSM)來控制LCD模塊的跳轉，文獻中就是使用FSM實現了對LCD模塊的顯示控制，但是它們都是針對一種類型LCD模塊的某種顯示模式，不具有多模式的顯示控制能力。因此，多功能LCD顯示控制器的有限狀態機就需要設置更多的條件轉換，來實現多種控制模式，狀態機的狀態轉換圖如圖2所示。
　　在圖2所示的狀態轉換圖中，系統上電后，首先完成持續大約0．1 s(根據時鐘頻率配置)的自動復位，然后才根據模塊的端口參數選擇不同顯示模式所對應的初始化命令，在狀態機中設置有初始化命令、起始行地址和屏顯示數據3條轉換路徑來適應LCD屏的工作狀態，同時也在關鍵轉換路徑上設置有可以配置的延時循環，這樣既能方便LCD模塊的工作調試，又能使LCD模塊一直工作在寫屏模式(RW=0)。對于LCD屏的顯示數據存儲可以完全采用FPGA內嵌的ROM／RAM單元實現，如果使用雙口RAM(存儲器讀寫獨立)就能實現LCD模塊的動態實時顯示。
　　4 多功能顯示控制器的設計驗證
　　使用康芯KX7C5T FPGA開發板(Altera CycleⅡEP2C5T144C8)、KBl2864KZK、RT1602C和4x4鍵盤組成多功能LCD控制器的硬件測試平臺；設計項目經過QuartusⅡ9．1開發工具的工程編譯和芯片下載配置后得到的實際顯示效果圖如圖3所示，其中圖3(a)是LCD1602模塊的字符顯示效果圖；屏的第1行顯示靜態字符，第2行實時顯示鍵盤輸入鍵值。圖3(b)是LCD12864模塊的中西文混合字符顯示效果圖，第4行也是實時顯示鍵盤輸入鍵值。圖3(c)是LCD12864模塊的靜態圖片顯示效果圖(ROM存儲)；圖3(d)是LCD12864模塊的實時動態圖形顯示效果圖(雙口RAM存儲)，這是用多功能LCD顯示控制器實現的邏輯分析儀界面。
　　5 結論
　　文中設計的多功能LCD顯示控制器，在FPGA開發板上的驗證結果表明，它完全具有能夠驅動LCD1602模塊顯示字符、LCD12864模塊顯示字符和實時顯示圖形的功能；并能夠通過端口參數配置而實現控制器的系統移植。