1、第20卷第4期2005年8月液晶與顯示Chinese Journal of Liquid Crystals and DisplaysVol 120,No 14Aug.,2005文章編號:100722780(20050420324204基于FP GA 的液晶顯示驅(qū)動(dòng)IP 核的實(shí)現(xiàn)王騫1,2,丁鐵夫1(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長春130033;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100039摘要:基于FP GA ,研究了液晶顯示驅(qū)動(dòng)方法,參照TF T 2L CD C J M10C11的邏輯和時(shí)序要求設(shè)計(jì)了32×32可變寬度像素點(diǎn)的液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路,用硬件描述語言V HDL

2、 編制了用于液晶顯示驅(qū)動(dòng)的IP 核,該IP 核用來實(shí)現(xiàn)可變顯示坐標(biāo)、可變像素寬度和可變灰度等級的液晶顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確認(rèn),該IP 核占用1K30中的458個(gè)L E ,在1K3023芯片中,最高時(shí)鐘頻率為25.71M Hz ,能夠完成液晶顯示時(shí)序及控制方面的要求且控制靈活;能驅(qū)動(dòng)大部分的TFT 2L CD ,通用性好;在外擴(kuò)SRAM 或SDRAM 后即可應(yīng)用于更大規(guī)模的液晶顯示驅(qū)動(dòng),可移植性強(qiáng),是用FP GA 驅(qū)動(dòng)TF T 2L CD 的一套較佳的解決方案。關(guān)鍵詞:液晶顯示;FP GA ;驅(qū)動(dòng)電路中圖分類號:TN873;TN47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A收稿日期:2004212209;修訂日期:20052022

3、28基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.50473040,60277033,59973020,199740461引言液晶顯示驅(qū)動(dòng)有多種方法,通常采用的方法為基于專用集成電路的方法和基于通用微處理器的方法。本文研究了一種基于FP GA (EP1K30QC20823的液晶顯示驅(qū)動(dòng)方法,與專用集成電路相比,FP GA 更靈活;與通用微處理器相比,FP 2GA 的速度更快。利用硬件描述語言,編制了液晶顯示驅(qū)動(dòng)的IP 核,開發(fā)了32×32可變寬度像素點(diǎn)的液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路,指出,基于FP GA 的驅(qū)動(dòng)方法能夠滿足液晶顯示驅(qū)動(dòng)時(shí)序上的要求,且具有控制靈活的特點(diǎn),在外擴(kuò)片外SRAM 或SDRA

4、M 后,容易移植在更多可變寬度像素點(diǎn)的液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)上。因FP GA 液晶顯示驅(qū)動(dòng)器的像素時(shí)鐘為25.175M Hz ,普通的單片機(jī)難以滿足要求,故選用AL TERA 公司的ACEX 系列FP GA 作為驅(qū)動(dòng)電路的核心部件。FP GA 即現(xiàn)場可編程門陣列器件,是一種超大規(guī)模集成電路,具有在電路可重配置能力(in circuit reconfigurable ,ICR 。設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的邏輯在編譯、適配后變成網(wǎng)絡(luò)表,下載到FP GA 芯片上之后,FP GA 即可執(zhí)行設(shè)計(jì)邏輯的功能。因此,FP GA 非常適合于進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)者可完全控制產(chǎn)品開發(fā)過程中由邏輯設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的全過程。2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5、本液晶顯示屏采用了商用的CJ M10C11系列TF T 液晶顯示屏,該顯示屏是一種用非晶硅作為開關(guān)器件的有源矩陣液晶顯示器,其接口為T TL 電平,分辨率為640×480像素,像素尺寸為100m ×300m ,灰度級為64級灰度,用18bit數(shù)據(jù)信號能顯示262144色1。液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路總體框圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電路通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通訊,數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)紽P GA 的片上ROM 中,傳輸結(jié)束后FP GA 上的液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路開始工作,控制信號發(fā)生器產(chǎn)生控制信號及地址,并將由片上ROM 讀出的各可變寬度像素點(diǎn)的灰度值送L CD顯示器顯示。在本方案中,與上位機(jī)的串行接口、

6、片上ROM 、像素時(shí)鐘發(fā)生器以及控制信號發(fā)生器都是在一片F(xiàn)P GA (ACEX1K30上實(shí)現(xiàn)的。ACEX 系列的FP GA 由排成行和列的邏輯陣列塊L AB (logic array block 、每行之中嵌入的嵌入式陣列塊EAB (embedded array block 、快速互連以及IO 單元構(gòu)成。每個(gè)邏輯陣列塊包第4期王騫,等;基于FP GA的液晶顯示驅(qū)動(dòng)IP核的實(shí)現(xiàn)325 圖1液晶顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體框圖Fig.1Block diagram of liquid crystal display driving含8個(gè)邏輯單元L E(logic element和一個(gè)局部互聯(lián)。每個(gè)邏輯單元?jiǎng)t由一

7、個(gè)4輸入查找表(L U T,一個(gè)可編程觸發(fā)器,快速進(jìn)位鏈、級連鏈組成,多個(gè)L AB和多個(gè)EAB通過快速通道互相連接。嵌入式陣列塊是ACEX系列器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一個(gè)重要部件。它是輸入端口和輸出端口都帶有觸發(fā)器的一種靈活的RAM塊,其主要功能就是實(shí)現(xiàn)一些規(guī)模不太大的FIFO、ROM、RAM和雙端口RAM等2,3。在本液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路中,主要用宏功能模塊實(shí)現(xiàn)片上ROM,它調(diào)用FP GA上的EAB資源實(shí)現(xiàn)灰度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),用普通的邏輯單元存儲(chǔ)坐標(biāo)值,實(shí)現(xiàn)可變寬度像素的像素寬度存儲(chǔ)。在ACEX1K30中,共有6塊4096位的EAB資源,可實(shí)現(xiàn)45×45可變寬度像素的18bit灰度顯示。另外,在

8、綜合時(shí),計(jì)數(shù)器、加法器等邏輯器件能夠調(diào)用FP GA上的快速進(jìn)位鏈等資源,提高設(shè)計(jì)的性能。液晶顯示器顯示方案如圖2所示,整個(gè)圖像分為消隱區(qū)和可視區(qū),在可視區(qū)中劃分出32×32可變寬度像素的控制顯示區(qū),每個(gè)可變寬度像素中是由n×n個(gè)像素構(gòu)成的。當(dāng)掃描點(diǎn)位于可視區(qū)內(nèi),控制顯示區(qū)外時(shí),所顯示的灰度為0;當(dāng)掃描信號進(jìn)入控制顯示區(qū)后,根據(jù)控制信號發(fā)生器所產(chǎn)生的地址值,由ROM中讀取灰度值,送L CD 顯示器進(jìn)行顯示。控制顯示區(qū)在可視區(qū)中的坐標(biāo)以及每個(gè)可變寬度像素的寬度,即行或列方向上的像素?cái)?shù)都是獨(dú)立可調(diào)的,具有很強(qiáng)的靈活性。2.1像素時(shí)鐘發(fā)生器像素時(shí)鐘發(fā)生器是L CD液晶顯示器驅(qū)動(dòng)IP

9、 核中顯示和控制信號發(fā)生器的基準(zhǔn)。 該顯示屏的圖2液晶顯示器顯示方案Fig.2Display scheme of L CD display時(shí)序信號為由水平和垂直視頻時(shí)序組合而成的復(fù)合視頻時(shí)序。像素時(shí)鐘頻率為25.175M Hz,像素時(shí)鐘周期為39.72ns,行顯示時(shí)間為640個(gè)時(shí)鐘周期,行消隱時(shí)間為160個(gè)時(shí)鐘周期,每個(gè)視頻行為800個(gè)時(shí)鐘周期,幀顯示時(shí)間為480個(gè)視頻行周期,幀消隱時(shí)間為45個(gè)視頻行周期4,5。在FP GA中,將像素時(shí)鐘發(fā)生器和控制信號發(fā)生器組合在同一個(gè)控制模塊WF中,用硬件描述語言V HDL實(shí)現(xiàn)了該液晶顯示驅(qū)動(dòng)IP核,如圖3所示。CL K腳接25.175M Hz晶振,產(chǎn)生液

10、晶顯示屏所需要的像素時(shí)鐘。控制行、幀顯示及消隱的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在行、幀消隱期間復(fù)位,在行、幀顯示期間開始工作,并產(chǎn)生控制信號發(fā)生器所需要的信號6 。圖3液晶顯示器驅(qū)動(dòng)IP核Fig.3IP core of L CD driving2.2控制信號發(fā)生器控制信號發(fā)生器最主要的部分是地址產(chǎn)生器,它根據(jù)水平和垂直顯示及消隱計(jì)數(shù)器的值產(chǎn)生控制信號,其狀態(tài)機(jī)如圖4所示。液晶顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路工作后,首先由ROM中讀入控制顯326液晶與顯示第20卷 圖4控制信號發(fā)生器狀態(tài)機(jī)Fig.4State machine of control signal generator示區(qū)的參照點(diǎn)坐標(biāo)、控制顯示區(qū)每行中的可變寬度像素

11、數(shù)、可變寬度像素的寬度等數(shù)據(jù),在水平顯示及垂直顯示時(shí)間,將水平顯示與垂直顯示計(jì)數(shù)器中的值與這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,判定是否進(jìn)入控制顯示區(qū)域,需要進(jìn)行顯示。如未進(jìn)入控制顯示區(qū)域,即Ent =0,則灰度值為0,若Ent =1則水平、垂直的可變寬度像素計(jì)數(shù)器和像素計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),如垂直的像素計(jì)數(shù)器Vis 、水平的可變寬度像素計(jì)數(shù)器Hsb 和水平的像素計(jì)數(shù)器His 都為零,則表示已掃描到一行可變寬度像素的最后一個(gè)像素,觸邊計(jì)數(shù)器Rre 計(jì)數(shù)值加1。根據(jù)觸邊計(jì)數(shù)器、水平可變寬度像素計(jì)數(shù)器以及每行中的可變寬度像素?cái)?shù)(為常數(shù),本文中為32,可確定地址Addr 的值。通過此地址即可由ROM 中讀出灰度值,送到TF

12、T 液晶顯示屏后就可以控制每個(gè)可變寬度像素的灰度值,即加在每個(gè)像素的兩極的電壓,從而實(shí)現(xiàn)可變坐標(biāo)、可變像素寬度、可變灰度的顯示。液晶顯示驅(qū)動(dòng)IP 核的仿真結(jié)果如圖5所示,其中enab 為復(fù)合同步信號,f syn 為幀同步信號。該IP 核在Quartus II 4.2下編譯通過,占用1K 3023中的458個(gè)L E ,最高時(shí)鐘頻率為25.71M Hz ,滿足設(shè)計(jì)要求。 圖5幀、行時(shí)序仿真結(jié)果Fig.5Frame and row timing simulation3結(jié)語本方案以FP GA 為核心,實(shí)現(xiàn)了液晶顯示器驅(qū)動(dòng)IP 核,整個(gè)系統(tǒng)控制靈活,結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)然,對于規(guī)模更大的方案,如100×

13、;100像素等,可用片外SRAM 或SDRAM 代替片上ROM 。另外,若液晶屏的分辨率更高,如800×600,此時(shí)像素時(shí)鐘為50M Hz ,可用線性反饋移位寄存器型計(jì)數(shù)器(L FSR Counter 代替二進(jìn)制計(jì)數(shù)器7,以取得更好的顯示效果。參考文獻(xiàn):1吉林彩晶數(shù)碼高科顯示器有限公司.TF T 2LCD 模塊產(chǎn)品說明書CJ M10C11Z.2000.2宋萬杰,羅豐,吳順君.CPLD 技術(shù)及其應(yīng)用M .西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999.3Wakerly.John F.數(shù)字設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.4任艷穎,王彬.IC 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)M .西安:西安電子科技大

14、學(xué)出版社,2003.第4期王騫,等;基于FP GA的液晶顯示驅(qū)動(dòng)IP核的實(shí)現(xiàn)3275張義磊,安吉宇,仲崇亮,等.ARM芯片S3C2410驅(qū)動(dòng)TF T2LCD的研究J.液晶與顯示,2005,20(1:61266.6吳平,龔彬,丁鐵夫.液晶顯示模塊和MSP430單片機(jī)在顯示終端上的應(yīng)用J.液晶與顯示,2003,18(6:4362441.7Smit h Douglas J.H DL Chi p Desi gnM.Madison:Doone Publications,1996.R ealization of FPGA B ased IP Core of Liquid Crystal Display D

15、rivingWAN G Qian1,2,DIN G Tie2f u1(1.Changchun I nstit ute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese A cadem y of S ciences,Changchun130033,China;2.Graduate S chool of Chinese A cadem y of S ciences,Bei j i ng100039,ChinaAbstractThe driving met hod of t he liquid crystal display based on FP GA wa

16、s researched,t he driving circuit of32×32widt h2variable pixel liquid crystal displays was developed according to t he logic and timing demand of CJ M10C11TF T2L CD.The IP core was compiled to drive liquid crystal display wit h hardware description language V HDL.This IP core can realize t he d

17、isplay of variable coordinate, variable pixel widt h and variable gray scale.This driving met hod was notarized in experiment;it used 458logic element s in1K30and can achieve t he fastest clock frequency25.71M Hz when1K3023is used.It can f ulfill t he timing and cont rol requirement s and versatile

18、at cont rol.This design can be universally used because it can drive mo st TF T2L CD,and can be well t ransplanted to larger scale L CD display driving after extending t he design wit h SRAM or SDRAM.It is a better met hod of driving L CD display based on FP GA.K ey w ords:liquid crystal display;FP GA;driving circuit作者簡介:王騫(1973-,男,吉林長春人,博士研究生,主要從事算法在FP GA中的應(yīng)用以及片上可編程系統(tǒng)方面的研究。手機(jī)TF T2L CD日本夏普公司去年生產(chǎn)7194萬塊手機(jī)TF T2L CD,為世界手機(jī)TF T2L C