基于FPGA圖形和字符加速的液晶顯示設(shè)計(jì)

基于FPGA圖形和字符加速的液晶顯示設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的工業(yè)控制應(yīng)用中，由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中集成了高性能的顯卡，故通常采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)＋液晶顯示器的體系結(jié)構(gòu)，可方便地實(shí)現(xiàn)以圖形和字符為主的人機(jī)界面。而在對(duì)實(shí)時(shí)性能和可靠性要求比較高的航空航天領(lǐng)域，通常要求液晶顯示器內(nèi)部集成圖形顯示功能，以減輕主控處理器的負(fù)擔(dān)，并提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。重點(diǎn)介紹了如何利用ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)基于Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ算法的２Ｄ圖形繪制（包括畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、畫(huà)圓、畫(huà)橢圓），以及點(diǎn)陣字符和位圖在液晶屏上的顯示，并提出了顯示性能優(yōu)化的一系列策略。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證和產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用，該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的液晶顯示模塊圖形和字符顯示功能穩(wěn)定，性能良好，適合于航空航天領(lǐng)域高可靠性液晶顯示模塊的應(yīng)用需求。１引言在傳統(tǒng)的工業(yè)控制應(yīng)用中，多采用Ｘ８６架構(gòu)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)外置或集成顯卡輸出ＶＧＡ／ＤＶＩ視頻信號(hào)，由液晶顯示器完成顯示功能。在這種架構(gòu)下采用軟件編程實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面比較方便。而在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是航空航天儀表顯示設(shè)備的信息顯示領(lǐng)域，對(duì)顯示任務(wù)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求很高。一方面需要減少設(shè)備內(nèi)部的模塊及互聯(lián)總線，以提高設(shè)備的可靠性并降低功耗；另一方面，設(shè)備所選用的高可靠性處理器性能通常較低，需要專門(mén)的硬件加速器輔助完成顯示功能。硬件加速器主要完成字符顯示、圖表繪制及液晶屏驅(qū)動(dòng)等功能，以減輕處理器的負(fù)擔(dān)，提高外部通信總線處理的實(shí)時(shí)性。基于ＦＰＧＡ的液晶顯示驅(qū)動(dòng)及圖形加速器就是為了滿足顯示儀表設(shè)備而設(shè)計(jì)的。由于液晶顯示模塊內(nèi)部集成了圖形和顯示功能，對(duì)設(shè)備主機(jī)處理器的性能要求大大降低，這樣就可以采用低性能、可靠性高的處理器來(lái)承擔(dān)顯示控制任務(wù)。２系統(tǒng)結(jié)構(gòu)２．１總體結(jié)構(gòu)儀表設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖１所示，由數(shù)據(jù)采集與通訊主機(jī)和液晶顯示模塊組成。２．２數(shù)據(jù)采集與通訊主機(jī)數(shù)據(jù)采集與通訊主機(jī)采用５１系列單片機(jī)，外接Ａ／Ｄ采集、ＣＡＮ等接口，主要完成數(shù)據(jù)采集、通信及向液晶顯示模塊發(fā)送頁(yè)面顯示命令等功能。２．３接口液晶顯示模塊與設(shè)備主機(jī)間為ＲＳ４２２串行接口，通訊波特率為２００ｋｂｉｔ／ｓ，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是自定義的，由幀頭、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、命令、參數(shù)、校驗(yàn)和構(gòu)成，單個(gè)數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度為２５６字節(jié)。幀頭：為０ｘＥＢ、０ｘ９０兩字節(jié)，為整個(gè)數(shù)據(jù)幀的通訊過(guò)程提供同步功能；字節(jié)長(zhǎng)度：１字節(jié)，數(shù)據(jù)幀格式中指令的總字節(jié)數(shù)，最大不超過(guò)２５５字節(jié)。指令：液晶顯示模塊操作指令內(nèi)容，包括命令和參數(shù)，表１給出了部分操作指令格式及含義；校驗(yàn)：１字節(jié)，“字節(jié)長(zhǎng)度”和“指令”字段的累加和，以校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀的正確性。２．４液晶顯示模塊液晶顯示模塊，相當(dāng)于小型液晶顯示終端，由液晶屏及其ＴＣＯＮ板、背光、圖形加速及顯示控制板組成。液晶顯示模塊需完成的繪圖命令有：屏幕擦除（背景填充）、畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、畫(huà)矩形、畫(huà)橢圓、畫(huà)圓、字符串顯示、自定義字顯示、圖片顯示、塊拷貝、塊粘貼等功能，以及字庫(kù)及圖片下載功能。除此之外，還有液晶屏亮度調(diào)節(jié)及狀態(tài)管理等命令。２Ｄ繪圖指令定義見(jiàn)表１。本設(shè)計(jì)選用的液晶屏為ＮＥＣ公司的１６．５ｃｍ（６．５ｉｎ）ＴＦＴ彩色液晶顯示屏，分辨率為６４０×４８０，液晶屏自帶ＴＣＯＮ板，其接口為１８ｂｉｔ數(shù)字ＲＧＢ信號(hào)。３ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ＦＰＧＡ在本設(shè)計(jì)中完成的工作主要是：一方面，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并解析，根據(jù)命令進(jìn)行圖形繪制操作，生成顯示幀存儲(chǔ)寫(xiě)操作數(shù)據(jù)流，最后將要改寫(xiě)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入ＳＤＲＡＭ存儲(chǔ)器中；另一方面，根據(jù)液晶屏同步信號(hào)時(shí)序要求，將幀存中顯示區(qū)的數(shù)據(jù)定時(shí)地讀出，生成液晶屏驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)流；其次，ＦＰＧＡ內(nèi)部還具有ＰＷＭ信號(hào)生成模塊，可調(diào)節(jié)液晶顯示屏的亮度。３．１ＦＰＧＡ器件選型ＦＰＧＡ選用Ｘｉｌｉｎｘ２Ｖ３０００系列［１］，該器件具有２８６７２個(gè)ＬＵＴ單元和個(gè)２８６７２個(gè)觸發(fā)器以及９６個(gè)ＢｌｏｃｋＲＡＭｓ，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？刂七壿嫾埃疲桑疲?、Ｂｕｆ