基于FPGA图形和字符加速的液晶显示设计.docx

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1、基于FPGA图形和字符加速的液晶显示设计在传统的工业控制应用中,由于双控制计算机中集成了高性能的显卡，故通常采用工业控制计算机+液晶显示器的体系结构，可方便地实现以图形和字符为主的人机界面。而在对实时性能和可靠性要求比较高的航空航天领域，通常要求液晶显示器内部集成图形显示功能，以减轻主控处理器的负担,并提高系统的实时性。重点介绍了如何利用FPGA实现基于Bresenham算法的2D图形绘制（包括画点、画线、画圆、画椭圆），以及点阵字符和位图在液晶屏上的显示，并提出了显示性能优化的一系列策略。经过仿真验证和产品实际应用,该设计方法实现的液晶显示模块图形和字符显示功能稳定，性能良好，适合于航空航天

2、领域高可靠性液晶显示模块的应用需求。1引言在传统的工业控制应用中，多采用X86架构的工业控制计算机，计算机外置或集成显卡输出VGA/DVI视频信号,由液晶显示器完成显示功能。在这种架构下采用软件编程实现人机界面比较方便。而在嵌入式系统领域,尤其是航空航天仪表显示设备的信息显示领域，对显示任务的可靠性和实时性要求很高。一方面需要减少设备内部的模块及互联总线，以提高设备的可靠性并降低功耗；另一方面，设备所选用的高可靠性处理器性能通常较低，需要专门的硬件加速器辅助完成显示功能。硬件加速器主要完成字符显示、图表绘制及液晶屏驱动等功能，以减轻处理器的负担，提高外部通信总线处理的实时性。基于FPGA的液晶

3、显示驱动及图形加速器就是为了满足显示仪表设备而设计的。由于液晶显示模块内部集成了图形和显示功能，对设备主机处理器的性能要求大大降低，这样就可以采用低性能、可靠性高的处理器来承担显示控制任务。2系统结构2.1总体结构仪表设备系统结构图如图1所示，由数据采集与通讯主机和液晶显示模块组成。图1体系结构图Fig.1Architecturediag2.2数据采集与通讯主机数据采集与通讯主机采用51系列单片机,外接A/D采集、CAN等接U,主要完成数据采集、通信及向液晶显示模块发送页面显示命令等功能。2.3接口液晶显示模块与设备主机间为RS422串行接口，通讯波特率为2OOkbit/s,数据传输协议是自定

4、义的，由帧头、数据包长度、命令、参数、校验和构成，单个数据包最大长度为256字节。帧头：为OXEB、OX9O两字节，为整个数据帧的通讯过程提供同步功能；字节长度：1字节，数据帧格式中指令的总字节数，最大不超过255字节。指令：液晶显示模块操作指令内容，包括命令和参数，表1给出了部分操作指令格式及含义；校验：1字节，“字节长度”和“指令”字段的累加和，以校验数据帧的正确性。2.4液晶显示模块液晶显示模块，相当于小型液晶显示终端，由液晶屏及其TCoN板、背光、图形加速及显示控制板组成。液晶显示模块需完成的绘图命令有：屏幕擦除（背景填充）、画点、画线、画矩形、画椭圆、画圆、字符串显示、自定义字显示、

5、图片显示、块拷贝、块粘贴等功能，以及字库及图片工载功能。除此之外，还有液晶屏亮度调节及状态管理等命令。2D绘图指令定义见表1。表I2D绘图指令定义表（部分指令）Tab1e12Ddrawinginstructionde（irifion指令名称命令参ft*注街点龊示0x34.1t,A,VkV在（黑%）处角点贼收示0x35XwXu1YS,XuXuVhiu一条从（X.Y）到（X：匕的线段购必示0x36.vto.xbj.r1f.k以Cj为困心水为f行高圆版膨显示0x38；i.X1,YrV.,.X,“YM,个以,YQYtOXmXuVVu以将景色擦除当前M慕上以Jy：印工片二丫为对角的电形B1成的区域j，1

6、本设计选用的液晶屏为NEC公司的16.5cm（6.5in）TFT彩色液晶显示屏，分辨率为640X480,液晶屏自带TCoN板，其接口为18bit数字RGB信号。3FPGA设计实现FPGA在本设计中完成的工作主要是：一方面，进行数据接收并解析，根据命令进行图形绘制操作，生成显示帧存储写操作数据流，最后将要改写的数据写入SDRAM存储器中；另一方面，根据液晶屏同步信号时序要求，将帧存中显示区的数据定时地读出，生成液晶屏驱动数据流；其次，FPGA内部还具有PWM信号生成模块，可调节液晶显示屏的亮度。3.1FPGA器件选型FPGA选用Xi1inX2V3OOO系列1,该器件具有28672个1UT单元和个28672个触发器以及96个BIoCkRAMs,便于实现大规模控制逻辑及FIF0.BUffer等；另外，FPGA内部具有DCM,可将外部65MHZ电针转为25MHZ时钟，用于液晶屏驱动时钟，并可内部经分频产生1kHzPWM信号，用于液晶屏背光亮度调节。