=====图片显示系统设计=====

实验任务

  • 任务:基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成图片显示系统设计并观察调试结果
  • 要求:将小脚丫的Logo转换成单色图片数据,驱动底板上1.8寸彩色液晶屏显示出来
  • 解析:将单色图片的数据存储到rom中,驱动1.8寸将图片刷到液晶屏上。

实验目的

扩展板卡上集成了1.8寸彩色液晶屏TFT_LCD模块,大家可以驱动LCD显示文字、图片或动态的波形。本实验主要学习1.8寸串行彩色液晶屏的驱动设计,然后将小脚丫Logo处理显示,完成图片显示系统的总体设计。

  • 了解1.8寸串行采样液晶屏的原理及驱动设计
  • 完成图片显示系统设计实现

设计框图

根据前面的实验解析我们可以得知,该设计可以拆分成两个功能模块实现,

  • LCDRGB:1.8寸串行液晶屏驱动模块。 * LCDRAM:用于存储单色图片数据。

Top-Down层次设计 模块结构设计

实验原理

液晶屏介绍

液晶屏规格书

查看底板上集成的1.8寸串行彩色液晶屏规格书,屏幕采用ST7735S的驱动芯片,接下来我们主要根据ST7735S的芯片手册来了解其工作原理和驱动方法。

ST7735S为132RGB x 162像素点 262K 控制器/驱动器,芯片可以直接跟外部处理器连接,支持串行SPI通信和8/9/16/18位并行通信(本液晶屏集成ST7735S时没有留并行接口,所以只能使用串行通信),详细参数请参考数据手册。

液晶屏驱动芯片原理示意

ST7735S支持不同位宽的并行通信格式。

ST7735S通信格式

在控制器给屏幕刷屏时,根据MV、MX、MY的配置支持8种不同方向的刷屏模式。

ST7735S部分刷屏模式

支持大量功能指令,部分系统功能指令列表如下

ST7735S部分功能指令

更多的内容这里就不一一介绍了,感兴趣的同学可以详细阅读ST7735S芯片手册。

液晶屏硬件连接

STEP BaseBoard V3.0底板上的1.8寸串行彩色液晶屏模块电路,其电路图如下:

1.8寸串行彩色液晶屏硬件电路

底板上的1.8寸串行彩色液晶屏电路和VGA显示电路复用部分FPGA管脚,两者不能同时使用,当使用1.8寸串行彩色液晶屏时,DISPSEL信号置高,驱动1.8寸串行彩色液晶屏使能同时点亮背光,DISP2~ DISP_5分别对应RESET、D/C、SDA、SCK管脚,最后FPGA驱动1.8寸液晶屏完成屏显示控制即可。

液晶屏驱动设计

要驱动液晶屏需要先了解液晶屏的驱动流程,可以从液晶屏驱动芯片ST7735S的芯片手册上获取,也可以到网上找找有没有别人使用同类液晶屏的案例,或者向卖方问问有没有相关资料提供,这里我们找到了一个用51单片机驱动的程序例程,例程仅供参考,需要根据例程中的配置到芯片手册中查找确认,不可以直接套用。

首先完成液晶屏初始化操作,51程序流程如下:

void  ST7735_LAIBAO177_INITIAL ()
{ 
//-----------ST7735R Reset Sequence----------------// 
RES =1; delay (1);        //Delay 1ms 
RES =0; delay (1);        //Delay 1ms 
RES =1; delay (120);      //Delay 120ms 
//----------End ST7735R Reset Sequence ------------// 
LCD_WriteCommand(0x11);   //Sleep out 
delay(120);               //Delay 120ms 
//---------ST7735S Frame Rate-------------------// 
LCD_WriteCommand(0xB1); 
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteCommand(0xB2); 
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteCommand(0xB3); 
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C); 
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C); 
//-----------End ST7735S Frame Rate---------------// 
LCD_WriteCommand(0xB4); //Dot inversion 
LCD_WriteData(0x03); 
//-----------ST7735S Power Sequence---------------// 
LCD_WriteCommand(0xC0); 
LCD_WriteData(0x28); LCD_WriteData(0x08); LCD_WriteData(0x04); 
LCD_WriteCommand(0xC1); 
LCD_WriteData(0XC0); 
LCD_WriteCommand(0xC2); 
LCD_WriteData(0x0D); LCD_WriteData(0x00); 
LCD_WriteCommand(0xC3); 
LCD_WriteData(0x8D); LCD_WriteData(0x2A); 
LCD_WriteCommand(0xC4); 
LCD_WriteData(0x8D); LCD_WriteData(0xEE); 
//----------End ST7735S Power Sequence----------// 
LCD_WriteCommand(0xC5); //VCOM 
LCD_WriteData(0x18);    //1a
LCD_WriteCommand(0x36); //MX, MY, RGB mode 
LCD_WriteData(0xC0); 
//-----------ST7735S Gamma Sequence-----------// 
LCD_WriteCommand(0xE0); 
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x22); LCD_WriteData(0x07); 
LCD_WriteData(0x0A); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x30); 
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2A); LCD_WriteData(0x28); 
LCD_WriteData(0x26); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x3A); 
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x03); 
LCD_WriteData(0x13); 
LCD_WriteCommand(0xE1); 
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x16); LCD_WriteData(0x06); 
LCD_WriteData(0x0D); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x26); 
LCD_WriteData(0x23); LCD_WriteData(0x27); LCD_WriteData(0x27); 
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x3B); 
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x04); 
LCD_WriteData(0x13); 
//------------End ST7735S Gamma Sequence----------// 
LCD_WriteCommand(0x3A); //65k mode 
LCD_WriteData(0x05); 
LCD_WriteCommand(0x29); //Display on 
}

创建存储器,将初始化过程中写的所有指令和数据存储,同时存储的还有指令或数据标志,例如初始化第1条指令为8'h11,我们增加最高位1‘b0组成9位位宽数据。存储器部分指令和数据如下:

initial begin //LCD初始化的命令及数据
    reg_init[ 0]    =   {1'b0,8'h11}; //最高位为0,表示低8位为指令
    reg_init[ 1]    =   {1'b0,8'hb1}; 
    reg_init[ 2]    =   {1'b1,8'h05}; //最高位为1,表示低8位为数据
    reg_init[ 3]    =   {1'b1,8'h3c}; 
    reg_init[ 4]    =   {1'b1,8'h3c};  

从51例程中可以看到,整个初始化过程都在给液晶屏写指令或数据,通过查看写指令或写数据的时序发现,唯一不同的就是对A0(对应底板液晶屏模块中的D/C信号)的控制,程序实现如下:

void  LCD_WriteXXX(uint dat)
{  int i;
    A0=0; //写指令,如果写数据 A0=1;
    CSB=0; //液晶屏使能
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        if(dat &0x80) SDA=1;
        else SDA=0;
        SCL=0; SCL=1;
        dat <<=1;
    }
    CSB=1;  
}

FPGA驱动液晶屏的设计使用状态机完成,将写数据与写指令的SPI时序整合成一个状态,另加一位指令数据控制位,程序实现如下:

WRITE:begin //WRITE状态,将数据按照SPI时序发送给屏幕
        if(cnt_write >= 6'd17) cnt_write <= 1'b0;
        else cnt_write <= cnt_write + 1'b1;
        case(cnt_write)
            6'd0:   begin lcd_dc <= data_reg[8]; end    //9位数据最高位为命令数据控制位
            6'd1:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[7]; end   //先发高位数据
            6'd2:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd3:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[6]; end
            6'd4:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd5:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[5]; end
            6'd6:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd7:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[4]; end
            6'd8:   begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd9:   begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[3]; end
            6'd10:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd11:  begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[2]; end
            6'd12:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd13:  begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[1]; end
            6'd14:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd15:  begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[0]; end   //后发低位数据
            6'd16:  begin lcd_clk <= HIGH; end
            6'd17:  begin lcd_clk <= LOW; state <= DELAY; end   //
            default: state <= IDLE;
        endcase
    end

初始化指令和数据都放到存储器中了,数据写入的SPI串行时序也已经设计成了一个状态,初始化状态只需要在复位后将存储器中的指令或数据通过WRITE状态发送给液晶屏,程序实现如下:

INIT:begin  //初始化状态
        if(cnt_init==3'd4) begin
            if(cnt==INIT_DEPTH) cnt_init <= 1'b0;
            else cnt_init <= cnt_init;
        end else cnt_init <= cnt_init + 1'b1;
        case(cnt_init)
            3'd0:   lcd_res <= 1'b0;    //复位有效
            3'd1:   begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end 
            3'd2:   lcd_res <= 1'b1;    //复位恢复
            3'd3:   begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end 
            3'd4:   if(cnt>=INIT_DEPTH) begin //当62条指令及数据发出后,配置完成
                        cnt <= 16'd0;  state <= MAIN;
                    end else begin
                        cnt <= cnt + 16'd1;  data_reg <= reg_init[cnt];  
                        if(cnt==16'd0) num_delay <= 16'd50000; //第一条指令需要较长延时
                        else num_delay <= 16'd50;
                        state <= WRITE; state_back <= INIT;
                    end
            default: state <= IDLE;
        endcase
    end

初始化完成,进入刷屏状态,刷屏数据写入前首先进行区域坐标的定位,然后刷写数据,图片采用单色显示,图片ram中每位数表示一个液晶屏一个像素点的亮还是灭,彩色液晶屏本实验采用16bit格式,即需要16bit数据决定像素的颜色,16bit数据分两次发送,最终从ram模块中获取的数据每位数据都要转换成16bit的数据,0转换成背景色对应的数据,1转换成顶层色对应的数据,程序实现如下:

SCAN:begin  //刷屏状态,从RAM中读取数据刷屏
    case(cnt_scan)
        3'd0: if(cnt >= 11) begin //确定刷屏的区域坐标,这里为全屏
                    cnt <= 16'd0;
                    cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1;
                end else begin
                    cnt <= cnt + 16'd1;
                    data_reg <= reg_setxy[cnt];
                    num_delay <= 16'd50;
                    state <= WRITE; state_back <= SCAN;
                end
        3'd1: begin ram_clk_en<=HIGH;ram_addr<=y_cnt;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end   
        3'd2: begin cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end  //延时一个时钟
        3'd3: begin ram_clk_en<=LOW;ram_data_r<=ram_data;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end
        3'd4: begin //每个像素点需要16bit的数据,SPI每次传8bit,两次分别传送高8位和低8位
                   if(x_cnt>=LCD_W) begin  //当一个数据(一行屏幕)写完后,
                        x_cnt <= 8'd0;  
                        if(y_cnt>=LCD_H) begin y_cnt <= 8'd0; cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end  //如果是最后一行就跳出循环
                        else begin y_cnt <= y_cnt + 1'b1; cnt_scan <= 3'd1; end     //否则跳转至RAM时钟使能,循环刷屏
                    end else begin
                        if(high_word) 
                            //根据相应bit的状态判定显示顶层色或背景色,根据high_word的状态判定写高8位或低8位
                            data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[15:8]:color_b[15:8])};    
                        else begin 
                            data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[7:0]:color_b[7:0])}; 
                            x_cnt <= x_cnt + 1'b1; 
                        end //
                        high_word <= ~high_word;    //high_word的状态翻转
                        num_delay <= 16'd50;    //设定延时时间
                        state <= WRITE; //跳转至WRITE状态
                        state_back <= SCAN; //执行完WRITE及DELAY操作后返回SCAN状态
                    end
                end
        3'd5:   begin cnt_scan <= 1'b0; state <= MAIN; end
        default: state <= IDLE;
endcase 
end

系统总体实现

液晶屏驱动模块的数据来源于图片数据的ram模块,这些数据由图片取模得到,使用图片取模软件,将图片载入软件,输出数据类型选择C语言数组,根据液晶屏驱动实际情况配置对应的扫描模式,输出灰度选择单色,调整最大宽度和高度符合液晶屏要求,最后点击保存生成需要的文件。

取模软件参数配置

打开生成的文件,数据格式如下,是C语言的格式

const unsigned char gImage_11[1990] = { 0X10,0X01,0X00,0X80,0X00,0X7C,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0XF8,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X07,0XFF,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,

使用编辑器的查找替换功能,将数据处理成下图格式

132'h00000000000000000000000000000000,
132'h00000000000000000000000000000000,
132'h00000000000000000000000000000000,
132'h0000000000000000F800000000000000,
132'h0000000000000007FF00000000000000,

创建ram模块,将图片数据初始化到ram中,程序实现图下:

module LCD_RAM (input wire [7:0] Address, output reg [131:0] Q);
always @ (*)
    case(Address)
        8'd0  : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
        8'd1  : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
        8'd2  : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
        8'd3  : Q = 132'h0000000000000000F800000000000000;
        8'd4  : Q = 132'h0000000000000007FF00000000000000;

存储图片数据的ram本实验采用分布式ram搭建,前面波形信号发生器实验中讲过ram IP核的例化及使用方法,有兴趣的同学可以自己尝试一下。

在顶层模块中,将两个模块例化并连接,最终完成图片显示系统的总体设计。

综合后的设计框图如下:

RTL设计框图

实验步骤

  1. 双击打开Quartus Prime工具软件;
  2. 新建工程:File → New Project Wizard(工程命名,工程目录选择,设备型号选择,EDA工具选择);
  3. 新建文件:File → New → Verilog HDL File,键入设计代码并保存;
  4. 设计综合:双击Tasks窗口页面下的Analysis & Synthesis对代码进行综合;
  5. 管脚约束:Assignments → Assignment Editor,根据项目需求分配管脚;
  6. 设计编译:双击Tasks窗口页面下的Compile Design对设计进行整体编译并生成配置文件;
  7. 程序烧录:点击Tools → Programmer打开配置工具,Program进行下载;
  8. 观察设计运行结果。

实验现象

将设计加载到FPGA中,观察底板液晶屏显示,小脚丫的Logo被显示出来了,前面说了1.8寸串行液晶屏支持不同的刷新方向,大家可以调整图片显示的方向

实验现象