尤卫卫，冒建亮，叶 桦

（东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096）

1 引 言

液晶显示器由于其轻薄、便携、高分辨率等优点已被广泛应用到生活、工业、军事等各种场合。TFT－LCD显示器作为液晶显示器中一类重要的代表，具有体积小，功耗低，显示品质优良等诸多优势，已经成为当前桌面显示的主流。虽然TFT－LCD显示效果极佳，但由于控制时序相对复杂，其控制一直是大家研究的重点［1－2］。目前对TFT－LCD的控制方式主要有3种：

（1）使用专用控制芯片，但此方式易受器件断档影响，并且不利用技术移植；

（2）使用内置TFT－LCD控制器的STM32，如ARM9等，此方式适用于高端显示领域，成本较高；

（3）使用FPGA或CPLD进行 TFT－LCD的控制器设计，利用此方式设计灵活性强、可移植性高，且器件性价比高。

比较3种方案，本文选择灵活性强、可移植性高，且器件性价比高的第三种方案来设计控制器［3］。

2 TFT－LCD显示控制器的整体架构

图1为液晶屏显示系统的系统框图。其中，主控芯片STM32［4］内部制定了与CPLD间的通讯协议，主要用于实现在LCD上的各类写操作指令，通过Intel8080总线将待显示信息传送给CPLD。作为控制器的核心元件，CPLD主要实现三个模块的功能［5］：

（1）协议解析模块：CPLD接收控制器STM32发出的控制指令，实现对8080总线通讯协议的解析，主要包括待写数据模式，待写数据坐标以及待写数据RGB颜色。

（2）SRAM 读写控制模块：CPLD 在 TFTLCD屏显消隐区间，根据提出的数据坐标及RGB颜色，将相应值写入SRAM相应地址。在TFTLCD屏显有效区间时，将上述数据按照时序依次读出，完成TFT－LCD的显示驱动。

（3）LCD时序驱动模块：根据LCD显示时序，实现液晶屏的显示驱动。

3 TFT－LCD显示控制器的设计

3.1 STM32与CPLD间通信协议

STM32内部实现了底层接口函数及上层界面函数，底层接口函数主要实现通讯协议的制定，包括用于界面显示的各类函数的实现。主要包括：单点写、多点写、8点带背景写与8点不带背景写命令。各命令具体操作如下：

（1）单点写

单点写主要是为了实现一些不易绘制的图形，如圆、三角形等，也可用于显示完整的图片。STM32内部根据指定的时序规则，依次发送指令：选择单点写模式→待显示像素点行、列地址→待显示像素点颜色。

（2）多点写

多点写主要用于绘制直线、矩形等，也可用于局部图形的填充。STM32内部根据指定的时序规则，依次发送指令：选择多点写模式→待显示图形起始点行、列地址→待显示图形长度→待显示图形颜色。

（3）8点带背景写

主要用于字符的覆盖显示，可绘制任意像素为8N×8N的字符。STM32内部根据指定的时序规则，依次发送指令：选择8点带背景写模式→待显示字符起始行、列地址→待显示字符前景色→待显示字符背景色。

（4）8点不带背景写

主要用于字符的层叠显示，可绘制任意像素为8N×8N的字符。STM32内部根据指定的时序规则，依次发送指令：选择8点不带背景写模式→待显示字符起始行、列地址→待显示字符前景色。

根据上述4种操作，STM32可以便捷地进行各类图文的绘制，并将相应的指令传送给CPLD对通讯数据进行解析，实现TFT－LCD的显示驱动。

3.2 TFT－LCD显示驱动设计［6－8］

显示器的驱动主要由CPLD实现，包括LCD时序驱动、通讯协议解析和SRAM读写控制，如图2所示。CPLD接收控制器STM32发出的控制指令，提取待显示点的坐标与RGB数据，并在TFT－LCD屏显消隐区间，将相应数据写入SRAM相应地址。在TFT－LCD屏显有效区间时，将相应数据按照时序依次读出，完成TFTLCD的显示驱动。

图2 TFT－LCD显示驱动框图Fig.2 Driving chart of TFT－LCD display

3.2.1 通讯协议解析模块

CPLD对STM32的通讯协议解析，按照先取指令后取数据的方式进行。当STM32发送控制指令时，控制线RS为0，发送数据指令时，控制线RS为1，每发送完对应的指令，发送相应的数据。因此，通过判断RS由0到1的上升边沿，此时总线上数据状态稳定，即可读取指令至CPLD中的寄存器；同理，当检测到RS由1到0的下降边沿时，可以根据接收到的控制指令，将相应的数据存放入对应的寄存器中，进而在TFT－LCD数据写有效时，进行相应的写屏操作。

写屏操作具体指STM32用于图文绘制的单点写、多点写、8点带背景写与8点不带背景写的驱动程序，采用有限状态机模式，主要分为两大类：第一类是输出只和状态有关，与输入无关，即Moore型状态机；第二类是输出和输入、状态有关，且次态也与输入和当前状态有关，即 Mealy型状态机。本设计中采用的是Mealy型状态机，各部分对应状态操作如下：

（1）清屏操作

设定状态S1：寄存器清零操作；S2：清屏操作。状态图如图3所示。其中，WAddCnt为写屏操作完成标志。

图3 清屏操作状态图Fig.3 State chart of screen clearing operation

（2）单点写

设定状态S1：等待数据稳定；S2：写单点操作，S3：寄存器清零操作。状态图如图4所示。

图4 单点写操作状态图Fig.4 State chart of single point writing operation

（3）多点写

设定状态S1：等待数据稳定；S2：写起始点操作；S3：写剩余长度点操作。状态图如图5所示。其中，MulPotWrCnt为写计数器，MulPotLength为多点写长度。

图5 多点写操作状态图Fig.5 State chart of multipoint writing operation

（4）8点带背景写

设定状态S1：等待数据稳定；S2：写起始点操作；S3：写其余7点操作。状态图如图6所示。其中，MulPotWrCnt为写计数器；状态S2和状态S3中，对字模数据的操作为：0写背景色，1写前景色。

图6 8点带背景写状态图Fig.6 State chart of 8points with background writing operation

（5）8点不带背景写

设定状态S1：等待数据稳定；S2：写起始有效点操作；S3：无效点计数清零操作；S4：写其余有效点操作。状态图如图7所示。其中，8Addr［7］为字模最高位，每个时钟周期左移1位；8AddrCnt为单字模中两有效点间无效点计数器；MulPotWrCnt为写计数器，8AddrWrCnt为单字模中无效点总计数器。对字模数据的操作为：0为无效点，1为有效点，此时写背景色。

图7 8点不带背景写状态图Fig.7 State chart of 8points without background writing operation

3.2.2 SRAM 读写控制模块

外部缓存SRAM的主要作用是将STM32发送的图文数据进行缓存，以便在TFT－LCD显示有效区间，CPLD可按照一定的时序从SRAM中依次读出。对于SRAM，通过设定与的高低，将芯片的16位数据线分高8位和低8位存储RGB颜色数据，以满足存储像素点640×480的需求，即将整屏数据分为上半屏（0～239行）、下半屏（240～479行）存储，每半屏地址一样，地址数为640×240。当接收到显示像素点为上半屏数据时，设定＝0＝1，数据存储于低8位，当接收到显示像素点为下半屏数据时，设定＝1＝0，数据存储于高8位。

3.2.3 LCD时序驱动模块

LCD驱动程序流程图如图8所示。通过行、场计数器，产生TFT－LCD控制所需的行、场同步信号、像素时钟，同时产生RGB数据读写有效位，即在RGB数据读有效时，按照时序依次从SRAM中读取存储的数值，在RGB数据写有效时，CPLD根据数据传输指令协议，接收并解析STM32给定的TFT－LCD上各坐标点待显示的图像数据。

图8 LCD驱动模块流程图Fig.8 Flow chart of LCD driving module

4 仿真结果讨论

本节利用 Quartus II［9］软件仿真功能，对LCD时序和SRAM读写功能进行仿真。

4.1 LCD时序驱动仿真

如图9为LCD时序仿真图，其中，LCD＿HS是行同步信号，LCD＿VS是场同步信号，可以看出，当场计数器Vcnt达到524时，意味着一场扫描完，LCD＿VS发生反转，进入场消隐，同时新的一场同步信号随后到来。

图9 LCD时序仿真图Fig.9 Simulation chart of LCD timing

4.2 SRAM 读写仿真［10］

SRAM读写控制信号由TFT－LCD显示有效与消隐区间决定，设定RCnt和 WCnt分别为SRAM读、写状态的地址、数据判断标志位。

图10 SRAM读时序仿真图Fig.10 Simulation chart of SRAM reading

如图11，当WE为低时，SRAM进行写操作。此时，在WCnt为高电平时，给定待写像素点地址，WCnt为低电平时，同样经过20ns时延后写相应地址数据。同时，在SRAM在读操作时，行地址从0～639，当读操作结束并转入写操作时，行地址清0，场地址加1，可见仿真结果的正确性。

图11 SRAM写时序仿真图Fig.11 Simulation chart of SRAM writing

图12是对TFT－LCD半场信号扫描仿真的结果。在TFT－LCD的行扫描中，有一段消隐区间与有效区间；在消隐区间，可以对SRAM进行数据写操作，在有效区间，按照行地址计数0～639依次输出信号。每行扫描结束后，场地址加1，当场地址到达239时，即TFT－LCD半场扫描结束，接下来以同样的地址进行下半场的扫描。

图12 半场扫描完仿真图Fig.12 Simulation chart of half－court scanning finished

4.3 实现结果

通过采用本文设计方法，实现的设计实物效果如图13所示。

图13 设计实物图Fig.13 Chart of design entity

5 结 论

本文介绍了基于STM32和CPLD的TFTLCD显示控制器的设计方法。TFT－LCD模块采用的是不带LCD控制器的群创AT056TN52－5.6in（1in＝2.54cm）TFTLCD。在设计控制器时，采用的是Altera公司的 MAX II系列的 CPLD（EPM570）作为核心部件，以ISSI公司的IS61LV25616大容量SRAM作为显示缓冲存储器。测试结果表明，本文设计的控制器相对市场上TFT－LCD的专用控制芯片工作稳定可靠，性价比高。在很多场合具有一定的实用价值。

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