毕业设计论文_基于fpga的lcd驱动显示电路的设计与实现

毕业设计论文_基于fpga的lcd驱动显示电路的设计与实现内容摘要：

TN 液晶那样从上至下。 光源路径 设计成 从下向上 的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出。 由于上下夹层的电极改 变 成 为 FET 电极和共通电极，在 FET 电极导通时，液晶分子 的表现也会改变，可以通过 使用 遮光和透光 的方法 来达到显示的目的，响应时间 提高到 80ms 左右。 因 为 TFT 具有比 TN 更 高的对比度 ， 更丰富的色彩 和 更快 的 荧屏更新频率， 所以TFT 俗称 “ 真彩 ”。 相 比较 于 DSTN， TFT 的主要特点是 给 每个像 素 都 配置 了 一个半导东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 1章 绪论 2 体开关器件。 由于每个像素都可以通过点脉冲 来 直接控制 ， 因而每个节点都 显得更 独立，并可以连续控制。 这样的设计方法不 但 提高了显示屏的反应速度， 而且 也可以精确控制显示 的 灰度，这就是 TFT 色彩 比 DSTN 更为逼真的原因。 2020 年以后 LCD 液晶显示器 技术开始走上成熟发展之路、但仍然生存在 CRT 显示器阴影下 (CRT 直译中文为：阴极射线管 ， 英文名称为 CathodeRay Tube)。 传统的 CRT 显示器 的发展历程为 从黑白到彩色 和 从球面到柱面再到平面直角 最后直至纯平的发展。 在这段 非常快速 前进的历程中，显示器的视觉效果在 跳跃性 提高， 带宽 、 画质、 分辨率、 刷新和色彩 率等各项指标均有 非常 大的提升。 目前 主流的纯平显示器 色彩真实， 图像无扭曲 ， 画面清晰 ， 视角更广阔，而且在设计 时 还充分考虑 到 了人类的 视觉构造 ，好的纯平显示器 在 长时间使用 之后 ，眼睛不 会 感到疲劳等一系列优势。 但是 同期的液晶显示器存在画面延时，色彩还 远 不够真实，可视角度削弱等缺点，所以，在 2020 年以前， LCD 液晶显示器 一直生活在 CRT 显示器的 阴影下。 不过与此同时我们也对比看到 LCD 液晶显示器 宽广的发展前景：可以说纯平显示器是 CRT 显 示器发展的最高水平， 然而 ，由于 CRT 显示器的基本工作原理是依靠高电压激发的游离电子轰击显示屏而产生各种各样的图像，技术已经十分成熟，没有太多的发展余地。 受限于此，传统 CRT 显示器在体积、重量、功耗等方面露出自己的劣势。 当时，由于液晶面板厂商基本都是第三代以前的生产线，在切割 1 17 吋等主流尺寸液晶面板的时候成本居高不下，所以，在那个年代， LCD 的售价也自然居高不下，15 吋 LCD 液晶显示器 售价达到 4000 元以上， 和当时同样显示面积的 17 吋 CRT 显示器2020 多元的价格根本没有任何优势，所以，在那个年代， LCD 液晶显示器 只是一些奢侈玩家的摆设品。 经过 2020 年 LCD 液晶显示器 大幅度调价，消费者发现 LCD 液晶显示器 的价格与CRT 显示器进一步接近了，尤其是大尺寸 LCD 液晶显示器 的售价和同尺寸的 CRT 显示器相比甚至有一些尺寸开始有优势。 大家在关注液晶显示器的同时，开始注意到在液晶显示器具备一些独特的优势。 大大提高桌面利用率 易于悬挂、拼接 接口更丰富、 DVI 成为标准配置 分辨率更高，相同尺寸的可视 面积更大 从 2020 年开始，各大显示器厂商开始意识到一个重要的问题，要提高 LCD 液晶显东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 1章 绪论 3 示器 的市场地位，他们当务之急是解决 LCD 液晶显示器 拖影问题。 所以，我们可以注意到， LCD 液晶显示器 响应时间技术从 2020 年开始飞速发展，从早期的 50ms 到 06 年的 1ms，这完全是一个质的改变。 2020 年以前，还是有很多 40 毫秒甚至是 50 毫秒的产品的，它们充其量只能应付一些基本的文本办公，游戏应用根本无从谈起。 不少早期的用户有这种体验，在 CRT 上玩惯魔兽之后，突然换成一台响应时间为 30ms 的 LCD 液晶显示器 上进行游戏，感觉 自己操作以后技能和任务迟迟没有发生变化，这就是 LCD 液晶显示器 早期被游戏玩家严重诟病的一个地方。 选题目的 本课题主要任务是设计基于 FPGA 的 LCD 驱动电路的设计和实现 ，兼顾好程序的易用性，以方便之后模块的移植和应用。 最后在 FPGA 上显示任意的英文字符和数字，另外要能根据输入数据的变化同步变化 LCD 液晶显示器 上显示的内容。 同时要能将储存模块中的 数据正常地显示在 LCD 液晶显示器 上。 东北大学东软信 息学院毕业设计（论文） 第 2章 关键技术介绍 4 第 2 章 关键技术介绍 FPGA简介 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array） ，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。 目前主流的 FPGA 依然 是基于查找表技术的， 它 已经 很大程度上 超出了先前版本FPGA 的基本性能， 而 且 还 整合了 用户 常用功能（如 时钟管理、 RAM 和 DSP）的硬核（ ASIC 型）模块。 FPGA 芯片主要 分成 6 个 部分 ， 他们 分 别是 ： 基本可编程逻辑单元、可编程输入输出单元、完整的时钟管理、 丰富的布线资源、 嵌入块式 RAM、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。 其 的基本特点主要有： FPGA 可 以 做 为 其它 的 半 定制或 全 定制 ASIC 电路 中 的试样片。 采用 FPGA 设计 的 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能 够 得到 想要 的芯片。 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、 TTL 电平兼容。 FPGA 的 内部有 非常 丰富的触发器和 I／ O 引脚。 FPGA 是 ASIC 电路 中 开发费用最低、设计 周期最短、风险最小的器件之一 LCD 简介 2. LCD 的简介 LCD 显示器 是 Liquid Crystal Display 的简称， LCD 液晶显示器 的构造是在两片平行的玻璃 之 中放 入 液态的晶体，两片玻璃 的中间含 有 很 多垂直 的 和水平的细小电线， 通过 为 不同的液晶单元供 电 来控制杆状水晶分子 方向 的 改变，将光线折射出来产生画面。 液晶显示器具备 的 一些独特优势 ： 大大提高桌面利用率 大屏幕液晶显示器轻薄的机身对提高桌面利用率是显而易见的。 19 英寸的 CRT 显示器其厚度普遍有 40cm 之巨 ，而当时相同尺寸的液晶显示器厚度不超过 4cm，大大节约了桌面空间。 随着双头输出显卡的普及，越来越多的用户需要同时使用两台显示器，笨重硕大的 CRT 显示器显然不再适合，液晶显示器才是最佳对象。 易于悬挂、拼接 大屏幕液晶显示器大多数均设有 VESA 标准的悬臂接口，可以方便与各种各样的悬臂支架配合应用在特殊的场合中，而液晶显示器特有的窄边框设计使其在拼接成屏幕东北大学东软信 息学院毕业设计（论文） 第 2章 关键技术介绍 5 墙的时候更加完美。 而 CRT 由于重量及外形原因，悬挂及拼接电视墙相对成本要高很多，且效果并不理想。 接口更丰富、 DVI 成为标准配置 传统的 DSub 模拟接口和数字化的 DVI 视频接口已经成为当时大屏幕液晶显示器事实上的标准配置。 大家不但可以通过数字化的视频接口享受无信号失真的干净画面和操控的便利性，还可以通过传统 DSub 接口兼容旧显卡让两台主机共用同一台显示器。 多数大屏幕液晶显示器还配备了其它模拟视频输入接口和 毫米音频输入接口以供多媒体应用，部分产品甚至还配备 USB Hub。 而小屏幕液晶显示器由于产品普遍定位较低和可供利用空间有限，只有在某些高端型号才配备部分上述接口。 分辨率更高，相同尺寸的可视面积更大 传统的 CRT 显示器分辨率普遍要比 同尺寸的液晶显示器要低， 17 英寸 CRT 显示器的分辨率普遍为 1024*768，而 17 英寸普屏 LCD 液晶显示器 支持 12801024，同时它的可视面积相当于 19 英寸 CRT 显示器的可视面积。 更高的分辨率可以在屏幕上显示更多的资讯，即使以后观看 19201080 的 HDTV 节目源也不至于丢失太多的像素。 另外，更大显示面积令用户在欣赏电影时候不再只局限于一个视觉效果最佳的 “皇帝位 ”，即便是 2～ 3 人也能同时看到相同质量的画面。 TC 1602 液晶模块 简介 一、 TC 1602 液晶模块是一种用 5 7 点阵图形来显示 字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为 1 行 16 个字、 2 行 16 个字、 2 行 20 个字等，最常用的为 2 行 16 个字。 TC 1602 液晶模块的一些主要技术参数： 逻辑工作电压（ VDD）： + ～ + LCD 驱动电压（ VDD VL）： + ～ + 工作温度（ Ta）： 0 ～ 60176。 C（常温） /20 ～ 75 176。 C（宽温） 工作电流： 屏幕视域尺寸： 二、 TC 1602 字符液晶 模块特点 可与 8 位或者 4 位微处理器直接连接； 内置字符发生器 ROM 可提供 160 种工业标准字符，包括全部大小写字母、阿拉伯数字及日文片假名，以及 32 个特殊字符或符号显示； 内置 RAM 可根据用户需要，自行设计定义字符或符号； 东北大学东软信 息学院毕业设计（论文） 第 2章 关键技术介绍 6 +5V 单电源供电； 低功耗。 系统软件 软件开发环境是利用 Xilinx 工具， Xilinx 工具是世界领先的可编程逻辑完整的解决方案的供应商，研发，制造并且销售应用范围广泛的高级集成电路，软件设计工具。 并且，能够定义系统级功能的 IP 核（ Intellentual Prorerty）， Xilinx 工具长期以来一直致力于推动 FPGA 产业技术的更新和发展。 Xilinx 开发工具不断地升级，由早期的 Foundation系列逐步发展到如今目前的 系列，工具集成了 FPGA 开发板所需要的所有功能，此次项目设计我所采用的是 Xilinx 硬件设计工具。 相对容易使用而且有着独一无二的 PLD 设计环境。 Xilinx 硬件设计工具将先进的技术与灵活性，方便使用性的图形界面结合一起，使您在短时间设计出您想要设计的硬件设计。 Xilinx ，不管您经验如何，都是硬件设计新手的最佳选择工具。 Mentor 公司的 ModeSim 是业界最优秀最可靠的 HDL 语言仿真软件，它能够提供简易的仿真环境，是业界唯一在单内核支持 VHDL 和 Verilog 混合仿真的仿真软件。 ModelSim 采用直接优化的编译技术， Tcl/TK 技术和单一内核仿真技术，使在编译仿真时候速度快，编译的代码与平台关系无关，便于保护 IP 核，个性化的图形界面和用户接口，全面支持 VHDL 和 Verilog 语言对 IEEE 标准的准确，除众多优势之外，它还能够支持 C/C++功能调试和调用。 ModelSim 最大的特点是强大的调试功能，先进数据流窗口，可快速追踪 到产生不定或者错误状态的最终原因，性能分析工具帮助分析性能的上下瓶颈，加速仿真速率，检查确保测试的完备性能，多种模式下的波形比较功能，先进的 Signal Spy 强化功能，地址访问 VHDL 或者 Verilog 和 VHDL 混合设计中的最底层信号，并且支持加密 IP，可与 Matlab 的 Simulink 的联合仿真功能。 此外， ModeSim 的特点还有， RTL 级和门级电路的优化，具有集成性能分析，对 SystemC 的直接编译可以与 HDL 任意混合。 所以说，它是目前世界上对系统级别硬件描述语言综合仿真工具最全面支持的工具。 东北大学东软信息 学院 毕业设计（论文） 第 3章 系统分析 7 第 3 章 系统分析 FPGA的设计方法 一般用到的 FPGA 的设计方法有 “自顶向下”和“自下而上” 这两种。 到 目前 为止大规模 FPGA 设计 经常所采用的设计方法是 “自顶向下”的设计方法。 所谓“自顶向下”设计方法 就是采用可 以 完全独立于芯片厂商 以及他们的 产品结构的描述语言，在功能级设计上 对设计 的 产品进行定义， 然后再 结合 其 功能仿真技术， 最后 确保 对产品的 设计的正确性，在 对其 功能定义完成后，利用逻辑综合技术，把功能描述转换成某一 含有 具体结构芯片的网表文件，输出 最后要 给厂商的布局布线器 再 进行布局布线。 布局布线 的 结果还可 以返 回 同一仿真器，进行包括时序和功能的后验证，以 此来 保证 因为 布局布线所带来的门延时和线延时不会影响 到 设计的性能。 “自顶向下”的优越性是 比较显而易见的。 第一，因为它的 功能描述可以完全独立于芯片结构，在 进行 设计的最初阶段，设计师 完全 可 以 不受芯片结构的约束，集中 全部精力 对 产品进行 设计，因此可以避免了传统设计方法所带来的重新再设计风险，在最大限度上 缩短了设计周期。 第二 ，设计的再利用得到 了 保证。 目前的电子产品正 在 向 着 模块化方向发展。 所谓模块化就是对以往设计 得 成果进行修改、组合和再利用，产生全新的或派生设计。 而“自顶向下” 的功能描述可与芯片结构无关。 因此，可以以一种 IP（ Intelligence Property 知识产权 ） 的方 式进行存档，方 便将来 的 重新利用。 第三， 在 设计规模 上大大提高。 简单的语言描述就可以完成复杂的功能，且 不需要手工绘图。 最后 ，在 芯片 的 选择 上 更加灵活。 设计师可在较短的时间内采用 所能见到的 各种结构芯片来完成同一功能描述，从而在设计规模、速度、芯片价格及系统性能要求等方面进行平衡，选择最佳结果。 目前最为常用的功能描述方法是采用均已成为国际标准的两种硬件描述语言 VHDL 和 Verilog HDL。 本课题使用的为 Ve rilog HDL。 Verilog HDL 和 VHDL 的异同 Verilog HDL 和 HDL都是用于逻辑设计的硬件描述语言，并且都已成为 IEEE 标准。 VHDL 是在 1987 年成为 IEEE 标准， 而 Verilog HDL 则 是 在 1995 年才正式成为 IEEE 标准。 之所以 VHDL 比 Verilog HDL 更 早成为 IEEE 标准， 是因为 VHDL 是美国军方组织开发的，而 Verilog HDL 只 是从一个普通的民间公司的私有财产转化而来，基于 Verilog HDL 的优越性，才成为的 IEEE 标准，因而有更强的生命力。 VHDL 其英文全名为 VHSIC HARDWARE DESCRIPTION Language， 而 VHSIC 则东北大学东软信息 学院 毕业设计（论文） 第 3章 系统分析 8 是 Very High Speed Integerated CIRCUIT 的缩写词， 译为 甚高速集成电路 ，所以 VHDL准确的中文译名为甚高速集成电路的硬件描述语言。 Verilog HDL 和 VHDL 作为描述硬件电路设计的语言， 他们 共同的特点在于：可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述、支持逻辑设计中层次与范围的描述、能形式化地抽象表示电路的行为和结构、具有电路仿真与 验证机制以保证设计的正确性、支持电 路描述由高层到低层的综合转换 、 硬件描述与实现工艺无关 (有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去 )、便于文档管理、易于理解和设计重用。 在这些共同点的基础上， Verilog HDL 和 VHDL 又各有其自己的特点。 由于 Verilog HDL 早在 1983 年就已推出，至今已有近。