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基于FPGA的LCD&VGA控制器設(shè)計
摘要：介紹了基于FPGA的圖形式LCD&VGA控制器的設(shè)計，詳細討論了用VHDL設(shè)計行場掃描時序的方法，這種設(shè)計方法稍作改動便可產(chǎn)生任意行場掃描時序，具有很好的可重用性。該控制器已成功地在某型飛機座艙圖形顯示系統(tǒng)中使用。關(guān)鍵詞：儀表裝置 LCD VHDL FPGA VGA
飛機座艙圖形顯示系統(tǒng)已發(fā)展到第六代，即采用有源矩陣彩色液晶顯示器AMLCD（Active Matrix Liquid Crystal Display）。當(dāng)前高分辨率的軍用AMLCD顯示模塊還只能依靠進口，且控制電路板須安裝在該顯示模塊提供的機箱內(nèi)。這種安裝方式對AMLCD控制電路板的尺寸要求高，要求盡可能減少所設(shè)計電路板的尺寸。在筆者設(shè)計的新一代飛機座艙圖形顯示系統(tǒng)中使用了大規(guī)�，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gata Array），這種設(shè)計方式可以將以前需要多塊集成芯片的電路設(shè)計到一塊大模塊可編程邏輯器件中，大大減少了電路板的尺寸，增強了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計的靈活性。本文詳細介紹了已在實際項目中應(yīng)用的基于FPGA的圖形式AMLCD控制器設(shè)計，這種設(shè)計方法稍作修改即可應(yīng)用于常見VGA視頻接口電路的設(shè)計。
1 圖形顯示系統(tǒng)簡介
圖1是飛機座艙圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中處理器采用AD公司的ADSP21061芯片，AMLCD采用Korry公司的KDM710全彩色液晶顯示模塊，該模塊為5×5英寸、600×600分辨率彩色液晶顯示模塊，24位數(shù)字RGB輸入。兩個幀存A和B采用IDT公司的71V424高速異步靜態(tài)RAM，系統(tǒng)采用兩個幀存輪流操作的方法：當(dāng)DSP向其中一個幀存寫象素時，由FPGA構(gòu)成的幀存控制器將另一個幀存中的象素順序讀出送給AMLCD，反之亦然。圖形顯示系統(tǒng)通過IDT公司的71V04雙口RAM接收主機的顯示信息。圖1中的幀存控制器和視頻控制器由Xilinx公司的SpartanII芯片XS2S50實現(xiàn)。
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2 KMD710顯示模塊
如圖1所示，美國Korry公司提供的KDM710全彩色液晶顯示模塊接口信號主要如下幾組：3個8位RGB數(shù)字信號、行同步信號HSYNC、場同步信號VSYNC、數(shù)據(jù)使能信號DATA_EN和點時鐘輸入DCLK。根據(jù)AMLCD數(shù)據(jù)手冊所需求的時序，確定掃描時序和相應(yīng)的時序參數(shù)如圖2所示。一般，圖形終端顯示器掃描制式與廣播電視的標準有點不同，須根據(jù)顯示模塊所提供的時間要求來確定掃描時序，其中的行場同步的前后肩，可以根據(jù)需要進行微調(diào)，一般為了防止每行的第一個象素丟失，要求行同步后肩C與行同步脈沖寬B盡量相等。圖2中的點時鐘為20MHz，行周期為650個時鐘周期，場周期為615個行周期（場頻為50Hz）。
3 LCD&VGA控制器設(shè)計
設(shè)計行場掃描時序，一般有兩種方式：查找表方式和編程邏輯方式。查找表方式主要由存儲芯片構(gòu)成，如SRAM、EPROM、PORM等。使用時，先根據(jù)所要產(chǎn)生的時序在存儲單元寫入相應(yīng)的數(shù)值，查表時再從表內(nèi)讀出時應(yīng)存儲單元的數(shù)值，以形成掃描時序。掃描時序查找表分為行掃描時序查找表和場掃描時序查找表。場掃描時序查找表的輸入時鐘由行同步脈沖提供。用查找表形成時序的方法存在體積大、計算煩瑣的缺點。隨著大規(guī)模邏輯芯片的出現(xiàn)，利用編程邏輯方法產(chǎn)生行場掃描時序是一個發(fā)展方向。這種方法具有電路簡單、功能強、修改方便、可靠性高等優(yōu)點。圖3為LCD控制器的框圖。
在本設(shè)計中，點時鐘DCLK由處理器DSP的系統(tǒng)時鐘40MHz經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)二分頻得到。點時鐘驅(qū)動行時序生成器，產(chǎn)生圖2所示的行同步信號HS和行消隱信號HB。為避免毛刺，控制器設(shè)計采用同步設(shè)計方法，如圖3所示，行同步信號HS通過一個微分電路，產(chǎn)生一個點時鐘周期寬的場時序生成器使能信號。在使能信號有效時，場時序生成器開始計數(shù)，并產(chǎn)生場同步信號VS和場消隱信號VB。行消隱信號HB和場消隱信號VB相與后即為數(shù)據(jù)使能信號DATA_EN。該數(shù)據(jù)使能信號作為產(chǎn)生幀存地址計數(shù)器的計數(shù)使能，以保證DATA_EN信號為高時，將象素送給AMLCD顯示。在DCLK的上升沿，幀存地址計數(shù)器加一，幀存SRAM經(jīng)過一段延時后，象素數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上。在DCLK的下降沿AMLCD將數(shù)據(jù)讀入。該LCD控制器的設(shè)計方法很容易用于VGA視頻接口。在VGA接口電路的設(shè)計中，不需點時鐘電路，只須將行同步信號與場同步信號輸出，將數(shù)據(jù)使能信號作為復(fù)合消隱信號輸入即可。產(chǎn)生行場掃描時序的VHDL描述如下：
entity seq_gen is
port(clk_seq : in std_logic；
rst_seq : in std_logic;
lcd_hs_out : out std_logic;
lcd_dataen : o
ut std_logic;
lcd_vs_out : out std_logic;
pix_clk : out std_logic );
end seq_gen;
architecture rtl_seq_gen of seq_gen is
signal lcd_hb : std_logic;
signal lcd_hs : std_logic;
signal lcd_vb : std_logic;
signal lcd_vs : std_logic;
signal clken_vcount : std_logic;
begin
hcount: block
signal hcountreg :std_logic_vector(9 downto 0);
signal hz_temp : std_logic;
signal lcd_hz : std_logic;
begin
process (clk_seq,lcd_hz)
begin
if (lcd_hz = '1') then
hcountreg <= (others =>'0');
elsif clk_seq'event and clk_seq = '1' then
hcountreg <= hcountreg +1;
end if;
end process;
lcd_hb <= '0' when hcountreg >=600 and hcountreg < 650
else '1';
lcd_hs <='0' when hcountreg >=610 and hcountreg < 630
else '1';
hz_temp <= '1' when hcountreg = 650 else '0';
lcd_hz <=hz_temp or rst_seq;
end block hcount;
diff : block
signal inputrega : std_logic;
signal inputregb : std_logic;
begin
process(clk_seq)
begin
if clk_seq'event and clk_seq='1' then
inputregb <= inputrega;
inputrega <= not lcd_hs;
end if;
end process;
clken_vcount <= not inputregb and inputrega;
end block diff;
vcount : block
signal vcountreg : std_logic_vector(9 downto 0);
signal vz_temp : std_logic;
signal lcd_vz : std_logic;
begin
process (clk_seq,lcd_vz)
begin
if(lcd_vz='1')then
vcountreg <= (others => '0');
elsif clk_seq'event and clk_seq = '1' then
if clken_vcount = '1' then
vcountreg <= vcountreg +1;
end if;
end if;
end process;
lcd_vb <= '0' when vcountreg >=600 and vcountreg < 615
else '1';
lcd_vs <='0' when vcountreg >=607 and vcounreg < 610
else '1';
vz_temp <= '1' when vcountreg = 615 else '0';
lcd_vz <= vz_temp or rst_seq;
end block vcount;
pix_clk <=clk_seq;
lcd_dataen <=lcd_hb and lcd_vb;
lcd_hs_out <=lcd_hs;
lcd_vs_out <=lcd_vs;
end rtl_seq_gen;
這種用VHDL產(chǎn)生掃描時序的方法簡單、易讀，并且易于修改。在代碼中只須修改一些時序參數(shù)就能產(chǎn)生任意時序的波形，具有很好的可重用性。用FPGA Express 3.5半VHDL代碼綜合后，通過Foundation 3.1i進行布局和布線，用Foundation提供的門級仿真工具產(chǎn)生的行掃描時序仿真圖如圖4所示。
采用FPGA技術(shù)設(shè)計的AMLCD控制器，大大減少了電路板的尺寸，同時增加了系統(tǒng)可靠性和設(shè)計靈活性。這種用VHDL語言實現(xiàn)現(xiàn)行場掃描時序生成器的方法，具有簡便。易讀和可重用性強的特點。該AMLCD控制器已用Xilinx公司的SpartanII系列器件XC2S50實現(xiàn)，并在飛機座艙圖形顯示系統(tǒng)中實現(xiàn)應(yīng)用。
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