fpga怎么控制12864 LCD显示
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发布时间：2022-04-30 05:35
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时间：2023-10-17 14:34
1．了解12864点阵型液晶显示器的显示原理。
2．掌握12864点阵型液晶显示器的接口设计。
3．利用12864点阵型液晶显示器来实现LCD广告字幕机的设计。
二、实验内容与要求
利用12864点阵型液晶显示模块设计一个可显示图形和中文字符的LCD广告字幕机。
1．基本要求：
1) 能够显示图形和文字。
2) 要求显示的图形或文字稳定、清晰无串扰。
3) 在目测条件下LCD显示屏各点亮度均匀、充足。
2．提高要求
4) 图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
5) 显示屏刷新频率要求达到85Hz。
一. 引言
LCD液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比CRT要好的多，但是价钱较其它显示器贵。
FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：
1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一
5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
二．工作原理
四、12864点阵型液晶显示器
本设计所用的JM12864A是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示；也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。 1．12864点阵型液晶显示器的显示原理
12864液晶显示屏共有128×64点阵，即每行显示128点，每列显示64点。此种型号的液晶显示屏以中间间隔平均划分为左屏和右屏分别显示，均为64×64点阵，而且各自都有独立的片选信号控制选择。先显示左屏，左屏全部显示完后才能显示右屏。显示屏上的显示数据由显示数据随机存储器DDRAM提供。DDRAM每字节中的每1个bit，对应显示屏上的1个点。bit值为1，对应点显示，反之不显示。
DDRAM与显示屏的对应位置如图1所示。每半屏显示数据共有512字节的DDRAM，分为8个数据页来管理，这些页对应显示屏从上到下编号为0－7页，每页64字节，涵盖半边显示屏的64行×64列×8bit点阵数据。向显示屏写数据实际上是向DDRAM中写数据，DDRAM不同页和不同列中的字节数据唯一对应显示屏一行的8个显示点。例如，向DDRAM第0页的第0列写入数据00010100B，则显示屏左上角第0列的8个显示点只有从上往下的第3和5点显示。不同页和不同列DDRAM的寻址，通过左半屏和右半屏各自的页地址计数器和列地址计数器实现，因此对显示屏DDRAM写显示数据前，需要先设置页地址和列地址。
图1 12864液晶显示屏与内部RAM的对应关系
2．12864液晶显示器的内部结构及外部引脚
1）12864液晶显示器的内部结构
12864液晶显示器的内部结构框图如图2。
图2 12864点阵型液晶显示器的内部结构框图
IC1控制模块的左半屏，IC2控制模块的右半屏。IC3为行驱动器。IC1，IC2为列驱动器。IC1，IC2，IC3含有如下主要功能器件。了解如下器件有利于对LCD模块的编程。
a) 指令寄存器(IR)
IR是用来寄存指令码，与数据寄存器寄存数据相对应.当D/I=1 时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR。.
b) 数据寄存器(DR)
DR是用来寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应.当D/I=1时，在E信号的下降沿作用下，图形显示数据写入DR，或在E信号高电平作用下由DR读到DB7~DB0 数据总线.DR 和DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的。
c) 状态寄存器
有效数据位3位，用于记录“忙”信号标志位（BF），复位标志位（RST）以及开/关显示状态位（ON/OFF）。
d) XY地址计数器
XY地址计数器是一个9位计数器。高三位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针。
X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。
Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63。
e) 显示数据RAM(DDRAM)
DDRAM是存贮图形显示数据的。DDRAM与地址和显示位置的关系见图1。
f) Z地址计数器
Z地址计数器是一个6位计数器，此计数器具备循环记数功能，它是用于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加1，指向下一行扫描数据，RST复位后Z地址计数器为0。
Z地址计数器可以用指令DISPLAY START LINE 预置。因此，显示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行。此模块的DDRAM共64行，屏幕可以循环滚动显示64行。
2）12864液晶显示器的外部引脚
12864液晶显示模块共有20个引脚，包括8位双向数据线、6条控制线及电源线等。具体引脚功能见下表所示。
管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述
1 VSS 0V 电源地
2 VDD 5.0V 电源电压
3 V0 - 液晶显示器驱动电压
4 D/I H/L D/I=“H”,表示DB7~DB0为显示数据
D/I=“L”,表示DB7~DB0为显示指令数据
5 R/W H/L R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7~DB0
R/W=“L”,E=“H→L”, DB7~DB0的数据被写到IR或DR
6 E H/L 使能信号：R/W=“L”,E信号下降沿锁存DB7~DB0
R/W=“H”,E=“H” DRAM数据读到DB7~DB0(使能端，高电平有效)
7 DB0 H/L 数据线
8 DB1 H/L 数据线
9 DB2 H/L 数据线
10 DB3 H/L 数据线
管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述
11 DB4 H/L 数据线
12 DB5 H/L 数据线
13 DB6 H/L 数据线
14 DB7 H/L 数据线
15 CS1 H/L 左半屏片选信号，低电平有效
16 CS2 H/L 右半屏片选信号，低电平有效
17 RESET H/L 复位信号,低电平复位
18 VEE -10V LCD驱动负电压
19 IED+ DC+5V 背光板电源
20 IED- DC0V 背光板电源
3．12864液晶显示器的编程指令
1) 显示开关控制(DISPLAY ON/OFF)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1
设置屏幕显示开/关。D/I=1，开显示。D=0，关显示。不影响DDRAM中的内容。
2) 设置显示起始行(DISPLAY START LINE)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 1 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
前面在介绍Z地址计数器时已经描述了显示起始行是由Z地址计数器控制的。A5~A0 6位地址自动送入Z地址计数器，起始行的地址可以是0~63的任意一行。
例如：选择A5~A0是62,则起始行与DDRAM行的对应关系如下：
DDRAM 行：62 63 0 1 2 3 •••••••••••••••••28 29
屏幕显示行： 1 2 3 4 5 6••••••••••••••••• 31 32
3) 设置页地址（SET PAGE “X ADDRESS”)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 1 0 1 1 1 A2 A1 A0
所谓页地址就是DDRAM的行地址，8行为一页,模块共64行即8页,A2~A0表示0~7页。读写数据对地址没有影响,页地址由本指令或RST信号改变复位后页地址为0。
4) 设置Y地址(SET Y ADDRESS)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
此指令的作用是将A5~A0送入Y地址计数器，作为DDRAM的Y地址指针。在对DDRAM进行读写操作后，Y地址指针自动加1,指向下一个DDRAM单元。
5) 读状态(STATUS READ)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 1 0 BUSY 0 ON/OFF RET 0 0 0 0
当R/W=1 D/I=0时,在E信号为“H”的作用下，状态分别输出到数据总线(DB7~DB0)的相应位。
BF：BF＝1，内部正在进行操作，BF＝0，空闲状态。
ON/OFF：ON/OFF＝1，表示显示打开，ON/OFF＝0，表示显示关闭。
RST: RST=1表示内部正在初始化，此时组件不接受任何指令和数据。
6) 写显示数据(WRITE DISPLAY DATE)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
D7~D0为显示数据，此指令把D7~D0写入相应的DDRAM单元,Y地址指针自动加1。
7) 读显示数据(READ DISPLAY DATE)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 1 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
此指令把DDRAM的内容D7~D0读到数据总线DB7~DB0，Y地址指针自动加1。
五、12864点阵型液晶显示器的接口电路设计
通过前面对12864显示屏引脚功能的分析可以知道，该模块有一个整体的片选信号“E”，只有当该信号为高电平时，所有的电路才会有效。另外左右半屏各有一个选择信号CS1和CS2，CS1和CS2各自为低电平时，分别选中左半屏和右半屏。为了区分读写的是数据还是指令，还设置了一个数据/指令控制线D/I。根据这些原则，设计出接口电路如图3所示。
图3 液晶显示器的接口电路
由于CS0的地址范围为280H－283H，由接口电路的设计可得液晶屏的相关地址，如下表。
操作 A1A0 端口地址
向左半屏写指令 00 280H
向右半屏写指令 10 282H
读/写左半屏数据 01 281H
读/写右半屏数据 11 283H
读状态寄存器 00 280H
五、软件设计
对12864的具体结构有了比较深入的了解，12864分左右两屏，像素点为128*64个像素点，行有128个像素点，列有64个像素点，行又设置为8页，在12864默认状态下中文字体都是16*16的大小，每个页包含8个像素行，所以要显示一个中文就需要2页；初始行的设定可以使得你要显示的字出现在任意你想要的位置。对液晶显示器的编程就是向DDRAM中写数据。在写DDRAM之前，需要先清除RAM，且左屏和右屏要分别进行清除。方法就是向RAM的所有单元写入0值。12864写驱动程序的时候需要写七个指令分别是：“检忙”，“写指令”，“写数据”，“写显示开关”，“写页”，“写列”，“写初始行”。
向LCD写显示数据的流程图如下： 液晶显示器的编程流程如下图：
六．LCD的应用
广告字幕机是用LCD输出不同的汉字和图形。要液晶显示器显示不同的图形或汉字，就是向DDRAM中写入不同的数据。根据前面所说的液晶显示屏与DDRAM的对应关系，可以构造不同的数据来显示不同的图形和汉字。
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时间：2023-10-17 14:34
1．了解12864点阵型液晶显示器的显示原理。
2．掌握12864点阵型液晶显示器的接口设计。
3．利用12864点阵型液晶显示器来实现LCD广告字幕机的设计。
二、实验内容与要求
利用12864点阵型液晶显示模块设计一个可显示图形和中文字符的LCD广告字幕机。
1．基本要求：
1) 能够显示图形和文字。
2) 要求显示的图形或文字稳定、清晰无串扰。
3) 在目测条件下LCD显示屏各点亮度均匀、充足。
2．提高要求
4) 图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
5) 显示屏刷新频率要求达到85Hz。
一. 引言
LCD液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比CRT要好的多，但是价钱较其它显示器贵。
FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：
1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一
5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
二．工作原理
四、12864点阵型液晶显示器
本设计所用的JM12864A是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示；也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。 1．12864点阵型液晶显示器的显示原理
12864液晶显示屏共有128×64点阵，即每行显示128点，每列显示64点。此种型号的液晶显示屏以中间间隔平均划分为左屏和右屏分别显示，均为64×64点阵，而且各自都有独立的片选信号控制选择。先显示左屏，左屏全部显示完后才能显示右屏。显示屏上的显示数据由显示数据随机存储器DDRAM提供。DDRAM每字节中的每1个bit，对应显示屏上的1个点。bit值为1，对应点显示，反之不显示。
DDRAM与显示屏的对应位置如图1所示。每半屏显示数据共有512字节的DDRAM，分为8个数据页来管理，这些页对应显示屏从上到下编号为0－7页，每页64字节，涵盖半边显示屏的64行×64列×8bit点阵数据。向显示屏写数据实际上是向DDRAM中写数据，DDRAM不同页和不同列中的字节数据唯一对应显示屏一行的8个显示点。例如，向DDRAM第0页的第0列写入数据00010100B，则显示屏左上角第0列的8个显示点只有从上往下的第3和5点显示。不同页和不同列DDRAM的寻址，通过左半屏和右半屏各自的页地址计数器和列地址计数器实现，因此对显示屏DDRAM写显示数据前，需要先设置页地址和列地址。
图1 12864液晶显示屏与内部RAM的对应关系
2．12864液晶显示器的内部结构及外部引脚
1）12864液晶显示器的内部结构
12864液晶显示器的内部结构框图如图2。
图2 12864点阵型液晶显示器的内部结构框图
IC1控制模块的左半屏，IC2控制模块的右半屏。IC3为行驱动器。IC1，IC2为列驱动器。IC1，IC2，IC3含有如下主要功能器件。了解如下器件有利于对LCD模块的编程。
a) 指令寄存器(IR)
IR是用来寄存指令码，与数据寄存器寄存数据相对应.当D/I=1 时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR。.
b) 数据寄存器(DR)
DR是用来寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应.当D/I=1时，在E信号的下降沿作用下，图形显示数据写入DR，或在E信号高电平作用下由DR读到DB7~DB0 数据总线.DR 和DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的。
c) 状态寄存器
有效数据位3位，用于记录“忙”信号标志位（BF），复位标志位（RST）以及开/关显示状态位（ON/OFF）。
d) XY地址计数器
XY地址计数器是一个9位计数器。高三位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针。
X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。
Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63。
e) 显示数据RAM(DDRAM)
DDRAM是存贮图形显示数据的。DDRAM与地址和显示位置的关系见图1。
f) Z地址计数器
Z地址计数器是一个6位计数器，此计数器具备循环记数功能，它是用于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加1，指向下一行扫描数据，RST复位后Z地址计数器为0。
Z地址计数器可以用指令DISPLAY START LINE 预置。因此，显示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行。此模块的DDRAM共64行，屏幕可以循环滚动显示64行。
2）12864液晶显示器的外部引脚
12864液晶显示模块共有20个引脚，包括8位双向数据线、6条控制线及电源线等。具体引脚功能见下表所示。
管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述
1 VSS 0V 电源地
2 VDD 5.0V 电源电压
3 V0 - 液晶显示器驱动电压
4 D/I H/L D/I=“H”,表示DB7~DB0为显示数据
D/I=“L”,表示DB7~DB0为显示指令数据
5 R/W H/L R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7~DB0
R/W=“L”,E=“H→L”, DB7~DB0的数据被写到IR或DR
6 E H/L 使能信号：R/W=“L”,E信号下降沿锁存DB7~DB0
R/W=“H”,E=“H” DRAM数据读到DB7~DB0(使能端，高电平有效)
7 DB0 H/L 数据线
8 DB1 H/L 数据线
9 DB2 H/L 数据线
10 DB3 H/L 数据线
管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述
11 DB4 H/L 数据线
12 DB5 H/L 数据线
13 DB6 H/L 数据线
14 DB7 H/L 数据线
15 CS1 H/L 左半屏片选信号，低电平有效
16 CS2 H/L 右半屏片选信号，低电平有效
17 RESET H/L 复位信号,低电平复位
18 VEE -10V LCD驱动负电压
19 IED+ DC+5V 背光板电源
20 IED- DC0V 背光板电源
3．12864液晶显示器的编程指令
1) 显示开关控制(DISPLAY ON/OFF)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1
设置屏幕显示开/关。D/I=1，开显示。D=0，关显示。不影响DDRAM中的内容。
2) 设置显示起始行(DISPLAY START LINE)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 1 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
前面在介绍Z地址计数器时已经描述了显示起始行是由Z地址计数器控制的。A5~A0 6位地址自动送入Z地址计数器，起始行的地址可以是0~63的任意一行。
例如：选择A5~A0是62,则起始行与DDRAM行的对应关系如下：
DDRAM 行：62 63 0 1 2 3 •••••••••••••••••28 29
屏幕显示行： 1 2 3 4 5 6••••••••••••••••• 31 32
3) 设置页地址（SET PAGE “X ADDRESS”)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 1 0 1 1 1 A2 A1 A0
所谓页地址就是DDRAM的行地址，8行为一页,模块共64行即8页,A2~A0表示0~7页。读写数据对地址没有影响,页地址由本指令或RST信号改变复位后页地址为0。
4) 设置Y地址(SET Y ADDRESS)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
此指令的作用是将A5~A0送入Y地址计数器，作为DDRAM的Y地址指针。在对DDRAM进行读写操作后，Y地址指针自动加1,指向下一个DDRAM单元。
5) 读状态(STATUS READ)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 1 0 BUSY 0 ON/OFF RET 0 0 0 0
当R/W=1 D/I=0时,在E信号为“H”的作用下，状态分别输出到数据总线(DB7~DB0)的相应位。
BF：BF＝1，内部正在进行操作，BF＝0，空闲状态。
ON/OFF：ON/OFF＝1，表示显示打开，ON/OFF＝0，表示显示关闭。
RST: RST=1表示内部正在初始化，此时组件不接受任何指令和数据。
6) 写显示数据(WRITE DISPLAY DATE)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
D7~D0为显示数据，此指令把D7~D0写入相应的DDRAM单元,Y地址指针自动加1。
7) 读显示数据(READ DISPLAY DATE)
代码 R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
形式 1 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
此指令把DDRAM的内容D7~D0读到数据总线DB7~DB0，Y地址指针自动加1。
五、12864点阵型液晶显示器的接口电路设计
通过前面对12864显示屏引脚功能的分析可以知道，该模块有一个整体的片选信号“E”，只有当该信号为高电平时，所有的电路才会有效。另外左右半屏各有一个选择信号CS1和CS2，CS1和CS2各自为低电平时，分别选中左半屏和右半屏。为了区分读写的是数据还是指令，还设置了一个数据/指令控制线D/I。根据这些原则，设计出接口电路如图3所示。
图3 液晶显示器的接口电路
由于CS0的地址范围为280H－283H，由接口电路的设计可得液晶屏的相关地址，如下表。
操作 A1A0 端口地址
向左半屏写指令 00 280H
向右半屏写指令 10 282H
读/写左半屏数据 01 281H
读/写右半屏数据 11 283H
读状态寄存器 00 280H
五、软件设计
对12864的具体结构有了比较深入的了解，12864分左右两屏，像素点为128*64个像素点，行有128个像素点，列有64个像素点，行又设置为8页，在12864默认状态下中文字体都是16*16的大小，每个页包含8个像素行，所以要显示一个中文就需要2页；初始行的设定可以使得你要显示的字出现在任意你想要的位置。对液晶显示器的编程就是向DDRAM中写数据。在写DDRAM之前，需要先清除RAM，且左屏和右屏要分别进行清除。方法就是向RAM的所有单元写入0值。12864写驱动程序的时候需要写七个指令分别是：“检忙”，“写指令”，“写数据”，“写显示开关”，“写页”，“写列”，“写初始行”。
向LCD写显示数据的流程图如下： 液晶显示器的编程流程如下图：
六．LCD的应用
广告字幕机是用LCD输出不同的汉字和图形。要液晶显示器显示不同的图形或汉字，就是向DDRAM中写入不同的数据。根据前面所说的液晶显示屏与DDRAM的对应关系，可以构造不同的数据来显示不同的图形和汉字。
