本帖最后由 正点原子运营 于 2023-3-31 14:28 编辑
第十五章 RGB LCD彩条显示实验
1）实验平台：正点原子 DFZU2EG/4EV MPSoC开发板
2) 章节摘自【正点原子】DFZU2EG/4EV MPSoC之FPGA开发指南 V1.0
6）FPGA技术交流QQ群:994244016
TFT-LCD是一种液晶显示屏，它采用薄膜晶体管（TFT）技术提升图像质量，如提高图像亮度和对比度等。相比于传统的CRT显示器，TFT-LCD有着轻薄、功耗低、无辐射、图像质量好等诸多优点，因此广泛应用于电视机、电脑显示器、手机等各种显示设备中。 本章包括以下几个部分： 15.1 RGB LCD简介 15.2 实验任务 15.3 硬件设计 15.4 程序设计 15.5 下载验证
15.1 RGB LCD简介TFT-LCD的全称是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，即薄膜晶体管液晶显示屏，它显示的每个像素点都是由集成在液晶后面的薄膜晶体管独立驱动，因此TFT-LCD具有较高的响应速度以及较好的图像质量。正点原子推出的RGB LCD液晶屏较多，7寸RGB LCD屏的实物图如下图所示： 图 15.1.1 ATK-7’RGB接口TFT液晶屏模块
液晶显示器是现在最常用到的显示器，手机、电脑、各种人机交互设备等基本都用到了LCD，最常见的就是手机和电脑显示器了。由于笔者不是LCD从业人员，对于LCD的具体原理不了解，百度百科对于 LCD的原理解释如下：
LCD的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置 TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。我们现在要在DFZU2EG/4EV MPSoC开发板上使用LCD，所以不需要去研究LCD 的具体实现原理，我们只需要从使用的角度去关注LCD的几个重要点：
1、分辨率 提起LCD显示器，我们都会听到720P、1080P、2K或4K这样的字眼，这个就是LCD显示器分辨率。LCD示器都是由一个一个的像素点组成，像素点就类似一个灯(在OLED显示器中，像素点就是一个小灯)，这个小灯是RGB灯，也就是由R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)这三种颜色组成的，而RGB就是光的三原色。1080P的意思就是一个LCD屏幕上的像素数量是1920*1080个，也就是这个屏幕一列1080个像素点，一共1920列，如图 15.1.2所示： 图 15.1.2 像素点排布
图 15.1.2就是1080P显示器的像素示意图，X轴就是LCD显示器的横轴，Y轴就是显示器的竖轴。图中的小方块就是像素点，一共有1920*1080=2073600个像素点。左上角的A点是第一个像素点，右下角的C点就是最后一个像素点。2K就是2560*1440个像素点，4K是3840*2160个像素点。很明显，在LCD尺寸不变的情况下，分辨率越高越清晰。同样的，分辨率不变的情况下，LCD尺寸越小越清晰。比如我们常用的24寸显示器基本都是1080P的，而我们现在使用的5寸的手机基本也是1080P的，但是手机显示细腻程度就要比24寸的显示器要好很多！由此可见，LCD显示器的分辨率是一个很重要的参数，但是并不是分辨率越高的LCD就越好。衡量一款LCD的好坏，分辨率只是其中的一个参数，还有色彩还原程度、色彩偏离、亮度、可视角度、屏幕刷新率等其他参数。
2、像素格式 上面讲了，一个像素点就相当于一个RGB小灯，通过控制R、G、B这三种颜色的亮度就可以显示出各种各样的色彩。那该如何控制R、G、B这三种颜色的显示亮度呢？一般一个R、G、B这三部分分别使用8bit的数据，那么一个像素点就是8bit*3=24bit，也就是说一个像素点3个字节，这种像素格式称为 RGB888。当然常用的像素点格式还有RGB565，只需要两个字节，但在色彩鲜艳度上较差一些。我们DFZU2EG/4EV MPSoC开发板上的RGB TFT-LCD接口采用的RGB888的像素格式，共需要24位，每一位对应RGB的颜色分量如下图所示： 图 15.1.3 RGB888数据格式
在图 15.1.3中，一个像素点占用3个字节，其中bit23~bit16是RED通道，bit15~bit8是GREEN通道，bit7~bit0是BLUE通道。所以红色对应的值就是24’hFF0000，绿色对应的值就是24’h00FF00，蓝色对应的值为24’h0000FF。通过调节R、G、B的比例可以产生其它的颜色，比如24’hFFFF00就是黄色，24’h000000就是黑色，24’hFFFFFF就是白色。大家可以打开电脑的“画图”工具，在里面使用调色板即可获取到想要的颜色对应的数值，如图 15.1.4所示： 图 15.1.4 调色板颜色选取
3、LCD屏幕接口 LCD屏幕或者说显示器有很多种接口，比如在显示器上常见的VGA、HDMI、DP等等，DFZU2EG/4EV MPSoC开发板支持RGB接口的LCD和HDMI接口的显示器。本章我们介绍的是RGB LCD接口，RGB LCD接口的信号线如下表所示： 表 15.1.1 RGB数据线
表 15.1.1就是RGB LCD的信号线，R[7:0]、G[7:0]和B[7:0]是24位数据，DE、VSYNC、HSYNC和PCLK是四个控制信号。
正点原子一共有五款RGBLCD屏幕，型号分别为ATK-4342（4.3寸，480*272）、ATK-4384（4.3寸，800*480）、ATK-7084（7寸，800*480）、ATK-7016（7寸，1024*600）和ATK-1018（10.1寸，1280*800）。这里以ATK-7016这款屏幕为例讲解，ATK-7016的屏幕接口原理图如所示： 图 15.1.5 RGB LCD液晶屏幕接口
图中J1就是对外接口，是一个40PIN的FPC座（0.5mm间距），通过FPC线，可以连接到DFZU2EG/4EV MPSoCZYNQ开发板上面，从而实现和开发板的连接。该接口十分完善，采用RGB888格式，并支持触摸屏和背光控制。右侧的几个电阻，并不是都焊接的，而是可以用户自己选择。默认情况，R1和R6 焊接，设置LCD_LR和LCD_UD，控制LCD的扫描方向，是从左到右，从上到下（横屏看）。而LCD_R7/G7/B7 则用来设置LCD的ID，由于RGBLCD没有读写寄存器，也就没有所谓的ID，这里我们通过在模块上面，控制R7/G7/B7的上/下拉，来自定义LCD模块的ID，帮助MCU判断当前LCD面板的分辨率和相关参数，以提高程序兼容性。这几个位的设置关系如表 15.1.2所示： 表 15.1.2 RGB LCD模块和ID对应关系
ATK-7016模块，就设置M2:M0 = 010即可。这样，我们在程序里面，读取LCD_R7/G7/B7，得到M0:M2 的值，从而判断RGB LCD模块的型号，并执行不同的配置，即可实现不同LCD模块的兼容。
4、LCD时间参数 如果将LCD显示一帧图像的过程想象成绘画，那么在显示的过程中就是用一根“笔”在不同的像素点画上不同的颜色。这根笔按照从左至右、从上到下的顺序扫描每个像素点，并且在像素画上对应的颜色，当画到最后一个像素点的时候一幅图像就绘制好了。假如一个LCD的分辨率为1024*600，那么其扫描如图 15.1.6所示： 图 15.1.6 LCD一帧图像扫描图
结合图 15.1.6我们来看一下LCD是怎么扫描显示一帧图像的。一帧图像也是由一行一行组成的。HSYNC是水平同步信号，也叫做行同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一行了，所以此信号都是在图 15.1.6的最左边。VSYNC信号是垂直同步信号，也叫做帧同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一帧图像了，所以此信号在图 15.1.6的左上角。
在图 15.1.6可以看到有一圈“黑边”，真正有效的显示区域是中间的白色部分。那这一圈“黑边”是什么东西呢？这就要从显示器的“祖先”CRT显示器开始说起了，CRT显示器就是以前很常见的那种大屁股显示器，在2019年应该很少见了，如果在农村应该还是可以见到的。CRT显示器屁股后面是个电子枪，这个电子枪就是我们上面说的“画笔”，电子枪打出的电子撞击到屏幕上的荧光物质使其发光。只要控制电子枪从左到右扫完一行(也就是扫描一行)，然后从上到下扫描完所有行，这样一帧图像就显示出来了。也就是说，显示一帧图像电子枪是按照‘Z’形在运动，当扫描速度很快的时候看起来就是一幅完成的画面了。
当显示完一行以后会发出HSYNC信号，此时电子枪就会关闭，然后迅速的移动到屏幕的左边，当 HSYNC信号结束以后就可以显示新的一行数据了，电子枪就会重新打开。在HSYNC信号结束到电子枪重新打开之间会插入一段延时，这段延时就是图 15.1.6中的HBP。当显示完一行以后就会关闭电子枪等待 HSYNC信号产生，关闭电子枪到HSYNC信号产生之间会插入一段延时，这段延时就是图 15.1.6中的HFP 信号。同理，当显示完一帧图像以后电子枪也会关闭，然后等到VSYNC信号产生，期间也会加入一段延时，这段延时就是图 15.1.6中的VFP。VSYNC信号产生，电子枪移动到左上角，当VSYNC信号结束以后电子枪重新打开，中间也会加入一段延时，这段延时就是图 15.1.6中的VBP。
HBP、HFP、VBP和VFP就是导致图 15.1.6中黑边的原因，但是这是CRT显示器存在黑边的原因，现在是LCD显示器，不需要电子枪了，那么为何还会有黑边呢？这是因为RGB LCD屏幕内部是有一个IC 的，发送一行或者一帧数据给IC，IC是需要反应时间的。通过这段反应时间可以让IC识别到一行数据扫描完了，要换行了，或者一帧图像扫描完了，要开始下一帧图像显示了。因此，在LCD屏幕中继续存在HBP、HFP、VPB和VFP这四个参数的主要目的是为了锁定有效的像素数据。
5、RGB LCD屏幕时序 上面介绍了LCD的时间参数，我们接下来看一下行显示对应的时序图，如图 15.1.7所示。 图 15.1.7 LCD行显示时序
图 15.1.7就是RGB LCD的行显示时序，我们来分析一下其中重要的几个参数：
HSYNC：行同步信号，当此信号有效的时候就表示开始显示新的一行数据，查阅所使用的LCD数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效，图 15.1.7为低电平有效。
HSPW：行同步信号宽度，也就是HSYNC信号持续时间。HSYNC信号不是一个脉冲，而是需要持续一段时间才是有效的，单位为CLK。
HBP：行显示后沿（或后肩），单位是CLK。
HOZVAL：行有效显示区域，即显示一行数据所需的时间，假如屏幕分辨率为1024*600，那么HOZVAL 就是1024，单位为CLK。
HFP：行显示前沿（或前肩），单位是CLK。
当HSYNC信号发出以后，需要等待HSPW+HBP个CLK时间才会接收到真正有效的像素数据。当显示完一行数据以后需要等待HFP个CLK时间才能发出下一个HSYNC信号，所以显示一行所需要的时间就是：HSPW + HBP + HOZVAL + HFP。
一帧图像就是由很多个行组成的，RGB LCD的帧显示时序如图 15.1.8所示： 图 15.1.8 LCD帧显示时序
图 15.1.8就是RGB LCD的帧显示时序，我们来分析一下其中重要的几个参数：
VSYNC：帧（场）同步信号，当此信号有效的时候就表示开始显示新的一帧数据，查阅所使用的LCD数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效，图 15.1.8为低电平有效。
VSPW：帧同步信号宽度，也就是VSYNC信号持续时间，单位为1行的时间。
VBP：帧显示后沿（或后肩），单位为1行的时间。
LINE：帧有效显示区域，即显示一帧数据所需的时间，假如屏幕分辨率为1024*600，那么LINE就是600行的时间。
VFP：帧显示前沿（或前肩），单位为1行的时间。
显示一帧所需要的时间就是：VSPW+VBP+LINE+VFP个行时间，最终的计算公式：
T =(VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)
因此我们在配置一款RGBLCD屏的时候需要知道这几个参数：HSPW（行同步）、HBP（行显示后沿）、HOZVAL(行有效显示区域)、HFP（行显示前沿）、VSPW（场同步）、VBP（场显示后沿）、LINE(场有效显示区域)和VFP（场显示后沿）。
RGB LCD液晶屏一般有两种数据同步方式，一种是行场同步模式（HV Mode），另一种是数据使能同步模式（DE Mode）。当选择行场同步模式时，LCD接口的时序与VGA接口的时序图非常相似，只是参数不同，如图 16.1.9和图 16.1.8中的行同步信号（HSYNC）和场同步信号（VSYNC）作为数据的同步信号，此时数据使能信号（DE）必须为低电平。
当选择DE同步模式时，LCD的DE信号作为数据的有效信号，，如图 16.1.10和图 16.1.8中的DE信号所示。只有同时扫描到帧有效显示区域和行有效显示区域时，DE信号才有效（高电平）。当选择DE同步模式时，此时行场同步信号VS和HS必须为高电平。
由于RGB LCD液晶屏一般都支持DE模式，不是所有的RGB LCD液晶屏都支持HV模式，因此本章我们采用DE同步的方式驱动LCD液晶屏。
6、像素时钟 像素时钟就是RGB LCD的时钟信号，以ATK7016这款屏幕为例，显示一帧图像所需要的时钟数就是：
N（CLK）= (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP) = (3 +20 + 600 + 12) * (20 + 140 + 1024 + 160) = 635 * 1344 = 853440
显示一帧图像需要853440个时钟数，那么显示60帧就是：853440 * 60 = 51206400≈51.2M，所以像素时钟就是51.2MHz。
当然我们在为RGB LCD屏提供驱动时钟的时候，也可以不用严格按照60帧来进行计算。为了方便操作，我们可以给ATK7016模块输出一个50MHz的时钟，其刷新率是接近于60Hz的，同时也非常方便我们来编写代码。
为了方便大家查找LCD屏的时序参数，这里整理了不同分辨率的时序参数，如表 15.1.3所示： 表 15.1.3 不同分辨率的LCD时序参数
15.2 实验任务本节的实验任务是使用正点原子DFZU2EG/4EV MPSoC开发板上的RGB TFT-LCD接口，驱动RGB LCD液晶屏（支持目前推出的所有RGB LCD屏），并显示出彩条。
15.3 硬件设计DFZU2EG/4EVMPSoC开发板上RGB TFT-LCD接口部分的原理图如下图所示。 图 15.3.1 RGB TFTLCD接口原理图
从上图中可以看到，FPGA管脚输出的颜色数据位宽为24bit，数据格式为RGB888，即数据高8位表示红色，中间8位表示绿色，低8位表示蓝色。由于这24位数据不仅仅作为输出给LCD屏的颜色数据，同时LCD_R7、LCD_G7和LCD_B7也用来获取LCD屏的ID，因此这24位颜色数据对ZYNQ开发板来说，是一个双向的引脚。
另外，RGBLCD模块支持触摸功能，图中T_PEN、T_MISO、T_CS、IIC2_SDA和IIC2_SCL等总共五个信号是与模块上的触摸芯片相连接。由于本次实验不涉及触摸功能的实现，因此这些信号并未用到。
需要说明的是，LCD液晶屏有一个复位信号（LCD_RST），当LCD_RST为低电平时，可对LCD屏进行复位。
本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示： 表 15.3.1 RGB TFT-LCD彩条实验管脚分配
对应的XDC约束语句如下所示： - #IO管脚约束
- #时钟周期约束
- create_clock -name sys_clk_p -period 10.000 [get_portssys_clk_p]
- #时钟
- set_property IOSTANDARD DIFF_HSTL_I_12 [get_portssys_clk_p]
- set_property IOSTANDARD DIFF_HSTL_I_12 [get_portssys_clk_n]
- set_property PACKAGE_PIN AE5 [get_ports sys_clk_p]
- set_property PACKAGE_PIN AF5 [get_ports sys_clk_n]
- #复位
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AH11 IOSTANDARD LVCMOS33}[get_ports sys_rst_n]
- #LCD接口
- set_property -dict {PACKAGE_PIN W14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[0]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN Y14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[1]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN W13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[2]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN Y13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[3]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN W12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[4]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN Y12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[5]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN W11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[6]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AA12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[7]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AC14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[8]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AD15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[9]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AC13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[10]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AD14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[11]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AE15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[12]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AA13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[13]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AE14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[14]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AB13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[15]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AG14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[16]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AB15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[17]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AH14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[18]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AB14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[19]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AG13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[20]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AE13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[21]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AH13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[22]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN AF13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[23]}]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN J11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_hs]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN K12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_vs]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN J10 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_de]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN J12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_bl]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN K13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_clk]
- set_property -dict {PACKAGE_PIN F10 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_rst]
RGBTFT-LCD输入时序包含三个要素：像素时钟、同步信号、以及图像数据，由此我们可以大致规划出系统结构如下图所示。其中，读取ID模块用于获取LCD屏的ID；由于不同分辨率的屏幕需要不同的驱动时钟，因此时钟分频模块根据LCD ID来输出不同频率的像素时钟；LCD显示模块负责产生液晶屏上显示的数据，即彩条数据；LCD驱动模块根据LCD屏的ID，输出不同参数的时序，来驱动LCD屏，并将输入的彩条数据显示到LCD屏上。 图 15.4.1 RGB TFT-LCD彩条显示系统框图
由系统框图可知，FPGA部分包括五个模块，顶层模块（lcd_rgb_colorbar）、读取ID模块（rd_id）、时钟分频模块（clk_div）、LCD显示模块（lcd_display）以及LCD驱动模块（lcd_driver）。其中在顶层模块中完成对其余模块的例化。 各模块端口及信号连接如下图所示： 图 15.4.2 顶层模块原理图
读取ID模块（rd_id）在上电时将RGB双向数据总线设置为输入，来读取LCD屏的ID；时钟分频模块（clk_div）根据读取的ID来配置LCD的像素时钟；LCD驱动模块（lcd_driver）在像素时钟的驱动下输出数据使能信号用于数据同步，同时还输出像素点的纵横坐标，供LCD显示模块（lcd_display）调用，以绘制彩条图案。
顶层模块lcd_rgb_colorbar的代码如下： - 1 module lcd_rgb_colorbar(
- 2 input sys_clk_p , //系统差分输入时钟
- 3 input sys_clk_n , //系统差分输入时钟
- 4 input sys_rst_n , //系统复位
- 5
- 6 //RGB LCD接口
- 7 output lcd_de, //LCD 数据使能信号
- 8 output lcd_hs, //LCD 行同步信号
- 9 output lcd_vs, //LCD 场同步信号
- 10 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号
- 11 output lcd_clk, //LCD像素时钟
- 12 output lcd_rst, //LCD复位
- 13 inout [23:0 lcd_rgb //LCD RGB888颜色数据
- 14 );
- 15
- 16 //wire define
- 17 wire [15:0 lcd_id ; //LCD屏ID
- 18 wire lcd_pclk ; //LCD像素时钟
- 19 wire lcd_clk_180 ; //LCD像素时钟
- 20
- 21 wire [10:0 pixel_xpos ; //当前像素点横坐标
- 22 wire [10:0 pixel_ypos ; //当前像素点纵坐标
- 23 wire [10:0 h_disp ; //LCD屏水平分辨率
- 24 wire [10:0 v_disp ; //LCD屏垂直分辨率
- 25 wire [23:0 pixel_data ; //像素数据
- 26 wire [23:0 lcd_rgb_o ; //输出的像素数据
- 27 wire [23:0 lcd_rgb_i ; //输入的像素数据
- 28
- 29 //*****************************************************
- 30 //** main code
- 31 //*****************************************************
- 32 //识别到ID为1018即10寸屏幕时，LCD 像素时钟取反
- 33 assign lcd_clk =(lcd_id == 16'h1018) ? ~lcd_clk_180 : lcd_clk_180;
- 34
- 35 //转换差分信号
- 36 IBUFDS diff_clock
- 37 (
- 38 .I (sys_clk_p), //系统差分输入时钟
- 39 .IB(sys_clk_n), //系统差分输入时钟
- 40 .O (sys_clk) //输出系统时钟
- 41 );
- 42
- 43 //像素数据方向切换
- 44 assign lcd_rgb =lcd_de ? lcd_rgb_o : {24{1'bz}};
- 45 assign lcd_rgb_i = lcd_rgb;
- 46
- 47 //读LCD ID模块
- 48 rd_id u_rd_id(
- 49 .clk (sys_clk ),
- 50 .rst_n (sys_rst_n),
- 51 .lcd_rgb (lcd_rgb_i),
- 52 .lcd_id (lcd_id )
- 53 );
- 54
- 55 //时钟分频模块
- 56 clk_div u_clk_div(
- 57 .clk (sys_clk ),
- 58 .rst_n (sys_rst_n),
- 59 .lcd_id (lcd_id ),
- 60 .lcd_pclk (lcd_pclk )
- 61 );
- 62
- 63 //LCD显示模块
- 64 lcd_display u_lcd_display(
- 65 .lcd_pclk (lcd_pclk ),
- 66 .rst_n (sys_rst_n ),
- 67 .pixel_xpos (pixel_xpos),
- 68 .pixel_ypos (pixel_ypos),
- 69 .h_disp (h_disp ),
- 70 .v_disp (v_disp ),
- 71 .pixel_data (pixel_data)
- 72 );
- 73
- 74 //LCD驱动模块
- 75 lcd_driver u_lcd_driver(
- 76 .lcd_pclk (lcd_pclk ),
- 77 .rst_n (sys_rst_n ),
- 78 .lcd_id (lcd_id ),
- 79 .pixel_data (pixel_data ),
- 80 .pixel_xpos (pixel_xpos ),
- 81 .pixel_ypos (pixel_ypos ),
- 82 .h_disp (h_disp ),
- 83 .v_disp (v_disp ),
- 84
- 85 .lcd_de (lcd_de ),
- 86 .lcd_hs (lcd_hs ),
- 87 .lcd_vs (lcd_vs ),
- 88 .lcd_bl (lcd_bl ),
- 89 .lcd_clk (lcd_clk_180),
- 90 .lcd_rst (lcd_rst ),
- 91 .lcd_rgb (lcd_rgb_o )
- 92 );
- 93
- 94 endmodule
顶层模块主要完成对其他模块的例化。这里需要重点注意第44行代码，由于lcd_rgb是24位的双向引脚，所以这里对双向引脚的方向做一个切换。当lcd_de信号为高电平时，此时输出的像素数据有效，将lcd_rgb的引脚方向切换成输出，并将LCD驱动模块输出的lcd_rgb_o（像素数据）连接至lcd_rgb引脚；当lcd_de信号为低电平时，此时输出的像素数据无效，将lcd_rgb的引脚方向切换成输入。代码中将高阻状态“Z”赋值给lcd_rgb的引脚，表示此时lcd_rgb的引脚电平由外围电路决定，此时可以读取lcd_rgb的引脚电平，从而获取到LCD屏的ID。
在代码第33行中对10寸屏的驱动时钟进行了取反，这里给大家解释一下为什么？因为10寸屏采用的是IPS面板，IPS面板相较于普通的液晶屏它改变了液晶分子颗粒排列方式，由原来的垂直排列变为水平排列。正是因为这种水平转换技术使得IPS屏幕具有更快的响应速度（液晶分子偏转速度）和更细腻的图像显示，并且它清晰流畅的视觉效果还可以降低对眼睛的刺激。但是由于响应速度的加快使得10寸屏对时序要求更高，这里对屏幕驱动时钟取反相当于时钟和数据相位相差180度，可以让10寸屏的时序更好，而其他尺寸屏幕响应的速度没那么快不需要对时钟进行取反，取反反而影响显示效果。
读取ID模块的代码如下： - 1 module rd_id(
- 2 input clk , //时钟
- 3 input rst_n , //复位，低电平有效
- 4 input [23:0] lcd_rgb, //RGB LCD像素数据,用于读取ID
- 5 output reg [15:0] lcd_id //LCD屏ID
- 6 );
- 7
- 8 //reg define
- 9 reg rd_flag; //读ID标志
- 10
- 11 //*****************************************************
- 12 //** main code
- 13 //*****************************************************
- 14
- 15 //获取LCD ID M2:B7 M1:G7 M0:R7
- 16 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 17 if(!rst_n) begin
- 18 rd_flag <= 1'b0;
- 19 lcd_id <= 16'd0;
- 20 end
- 21 else begin
- 22 if(rd_flag == 1'b0) begin
- 23 rd_flag <= 1'b1;
- 24 case({lcd_rgb[7],lcd_rgb[15],lcd_rgb[23]})
- 25 3'b000 : lcd_id <= 16'h4342; //4.3' RGB LCD RES:480x272
- 26 3'b001 : lcd_id <= 16'h7084; //7' RGB LCD RES:800x480
- 27 3'b010 : lcd_id <= 16'h7016; //7' RGB LCD RES:1024x600
- 28 3'b100 : lcd_id <= 16'h4384; //4.3' RGB LCD RES:800x480
- 29 3'b101 : lcd_id <= 16'h1018; //10' RGB LCD RES:1280x800
- 30 default : lcd_id <= 16'd0;
- 31 endcase
- 32 end
- 33 end
- 34 end
- 35
- 36 endmodule
读取ID模块根据输入的lcd_rgb值来寄存LCD屏的ID。lcd_rgb[7]（B7）、lcd_rgb[15]（G7）和lcd_rgb[23]（R7）分别对应M2、M1和M0。尽管在顶层模块中，双向引脚lcd_rgb会根据lcd_de信号的高低电平来频繁的切换方向，但本模块实际上只在上电后获取了一次ID，通过rd_flag作为标志。当rd_flag等于0时，获取一次ID，并将rd_flag赋值为1；而当rd_flag等于1时，不再获取LCD屏的ID。
除此之外，为了方便将LCD的ID和分辨率对应起来，这里对M2、M1和M0的值做了一个译码，如3’b000译码成16’h4342，表示当前连接的是4.3寸屏，分辨率为480*272。其它ID的译码请参考注释。
分频模块的代码如下： - 1 module clk_div(
- 2 input clk, //50Mhz
- 3 input rst_n,
- 4 input [15:0 lcd_id,
- 5 output reg lcd_pclk
- 6 );
- 7
- 8 reg clk_50m;
- 9 reg clk_25m;
- 10 reg clk_12_5m;
- 11 reg div_4_cnt;
- 12 reg [1:0 div_8_cnt;
- 13
- 14 //时钟2分频输出50MHz时钟
- 15 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 16 if(!rst_n)
- 17 clk_50m <= 1'b0;
- 18 else
- 19 clk_50m <= ~clk_50m;
- 20 end
- 21
- 22 //时钟4分频输出25MHz时钟
- 23 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 24 if(!rst_n) begin
- 25 div_4_cnt <= 1'b0;
- 26 clk_25m <= 1'b0;
- 27 end
- 28 else begin
- 29 div_4_cnt <= div_4_cnt + 1'b1;
- 30 if(div_4_cnt == 1'b1)
- 31 clk_25m <= ~clk_25m;
- 32 end
- 33 end
- 34
- 35 //时钟8分频输出12.5MHz时钟
- 36 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
- 37 if(!rst_n) begin
- 38 div_8_cnt <= 2'b0;
- 39 clk_12_5m <= 1'b0;
- 40 end
- 41 else begin
- 42 div_8_cnt <= div_8_cnt + 2'b01;
- 43 if(div_8_cnt == 2'b11)
- 44 clk_12_5m <= ~clk_12_5m;
- 45 end
- 46 end
- 47
- 48 always @(*) begin
- 49 case(lcd_id)
- 50 16'h4342 : lcd_pclk = clk_12_5m;
- 51 16'h7084 : lcd_pclk = clk_25m;
- 52 16'h7016 : lcd_pclk = clk_50m;
- 53 16'h4384 : lcd_pclk = clk_25m;
- 54 16'h1018 : lcd_pclk = clk_50m;
- 55 default : lcd_pclk = 1'b0;
- 56 endcase
- 57 end
- 58
- 59 endmodule
分频模块根据输入的LCDID对100Mhz时钟进行分频。由于不同分辨率的LCD屏需要的像素时钟频率不一样，因此分频模块根据输入的LCD ID，来输出不同频率的像素时钟lcd_pclk。需要说明的是，我们在本章简介部分向大家列出了一张表，表格里记录了不同分辨率的屏幕所需的像素时钟频率，为了方便编写分频的代码，我们这里没有严格按照表格里所要求的时钟频率进行输出，而是输出接近于表格所要求的时钟频率。例如10.1寸屏，分辨率1280*800，如果刷新率为60Hz的话，需要输出70Mhz的像素时钟，这个时钟频率是无法通过编写代码的方式来得到，而是必须使例化时钟模块MMCM/PLL IP核来得到。因此，对于分辨率为1280*800的10.1寸屏幕来说，我们输出的是50Mhz的像素时钟，当然大家使用的是10.1寸屏幕，也可以通过例化时钟模块的方式，来输出一个70Mhz的像素时钟。
分频模块通过三个always语句，分别进行2分频、4分频和8分频，得到一个50Mhz的时钟、一个25Mhz的时钟和一个12.5Mhz的时钟，如代码中第14行至第46行代码所示。下面我们介绍下如何对输入的时钟进行四分频，也就是100Mhz的时钟四分频后，得到一个25Mhz的时钟，其实只需要分频后时钟的周期时原时钟的四倍即可，四分频的波形图如下图所示： 图 15.4.3 时钟四分频
上图中的div_4_cnt用于对系统时钟进行计数，四分频计数器只需要一位位宽，即0和1之间跳变。clk_25m高电平和低电平分别占用了两个时钟周期，共占用四个时钟周期，sys_clk的时钟频率为100Mhz，周期为10ns，因此clk_25m的时钟周期为40ns，时钟频率为25Mhz。
在代码的第48行至第57行，通过组合逻辑根据LCD屏的ID选择输出不同频率的像素时钟。
LCD驱动模块的代码如下： - 1 module lcd_driver(
- 2 input lcd_pclk, //时钟
- 3 input rst_n, //复位，低电平有效
- 4 input [15:0 lcd_id, //LCD屏ID
- 5 input [23:0 pixel_data, //像素数据
- 6 output [10:0 pixel_xpos, //当前像素点横坐标
- 7 output [10:0 pixel_ypos, //当前像素点纵坐标
- 8 output reg [10:0 h_disp, //LCD屏水平分辨率
- 9 output reg [10:0 v_disp, //LCD屏垂直分辨率
- 10 //RGB LCD接口
- 11 output lcd_de, //LCD 数据使能信号
- 12 output lcd_hs, //LCD 行同步信号
- 13 output lcd_vs, //LCD 场同步信号
- 14 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号
- 15 output lcd_clk, //LCD 像素时钟
- 16 output lcd_rst, //LCD复位
- 17 output [23:0 lcd_rgb //LCD RGB888颜色数据
- 18 );
- 19
- 20 //parameter define
- 21 // 4.3' 480*272
- 22 parameter H_SYNC_4342 = 11'd41; //行同步
- 23 parameter H_BACK_4342 = 11'd2; //行显示后沿
- 24 parameter H_DISP_4342 = 11'd480; //行有效数据
- 25 parameter H_FRONT_4342 = 11'd2; //行显示前沿
- 26 parameter H_TOTAL_4342 = 11'd525; //行扫描周期
- 27
- 28 parameter V_SYNC_4342 = 11'd10; //场同步
- 29 parameter V_BACK_4342 = 11'd2; //场显示后沿
- 30 parameter V_DISP_4342 = 11'd272; //场有效数据
- 31 parameter V_FRONT_4342 = 11'd2; //场显示前沿
- 32 parameter V_TOTAL_4342 = 11'd286; //场扫描周期
- 33
- 34 //7' 800*480
- 35 parameter H_SYNC_7084 = 11'd128; //行同步
- 36 parameter H_BACK_7084 = 11'd88; //行显示后沿
- 37 parameter H_DISP_7084 = 11'd800; //行有效数据
- 38 parameter H_FRONT_7084 = 11'd40; //行显示前沿
- 39 parameter H_TOTAL_7084 = 11'd1056; //行扫描周期
- 40
- 41 parameter V_SYNC_7084 = 11'd2; //场同步
- 42 parameter V_BACK_7084 = 11'd33; //场显示后沿
- 43 parameter V_DISP_7084 = 11'd480; //场有效数据
- 44 parameter V_FRONT_7084 = 11'd10; //场显示前沿
- 45 parameter V_TOTAL_7084 = 11'd525; //场扫描周期
- 46
- 47 // 7' 1024*600
- 48 parameter H_SYNC_7016 = 11'd20; //行同步
- 49 parameter H_BACK_7016 = 11'd140; //行显示后沿
- 50 parameter H_DISP_7016 = 11'd1024; //行有效数据
- 51 parameter H_FRONT_7016 = 11'd160; //行显示前沿
- 52 parameter H_TOTAL_7016 = 11'd1344; //行扫描周期
- 53
- 54 parameter V_SYNC_7016 = 11'd3; //场同步
- 55 parameter V_BACK_7016 = 11'd20; //场显示后沿
- 56 parameter V_DISP_7016 = 11'd600; //场有效数据
- 57 parameter V_FRONT_7016 = 11'd12; //场显示前沿
- 58 parameter V_TOTAL_7016 = 11'd635; //场扫描周期
- 59
- 60 // 10.1' 1280*800
- 61 parameter H_SYNC_1018 = 11'd10; //行同步
- 62 parameter H_BACK_1018 = 11'd80; //行显示后沿
- 63 parameter H_DISP_1018 = 11'd1280; //行有效数据
- 64 parameter H_FRONT_1018 = 11'd70; //行显示前沿
- 65 parameter H_TOTAL_1018 = 11'd1440; //行扫描周期
- 66
- 67 parameter V_SYNC_1018 = 11'd3; //场同步
- 68 parameter V_BACK_1018 = 11'd10; //场显示后沿
- 69 parameter V_DISP_1018 = 11'd800; //场有效数据
- 70 parameter V_FRONT_1018 = 11'd10; //场显示前沿
- 71 parameter V_TOTAL_1018 = 11'd823; //场扫描周期
- 72
- 73 // 4.3' 800*480
- 74 parameter H_SYNC_4384 = 11'd128; //行同步
- 75 parameter H_BACK_4384 = 11'd88; //行显示后沿
- 76 parameter H_DISP_4384 = 11'd800; //行有效数据
- 77 parameter H_FRONT_4384 = 11'd40; //行显示前沿
- 78 parameter H_TOTAL_4384 = 11'd1056; //行扫描周期
- 79
- 80 parameter V_SYNC_4384 = 11'd2; //场同步
- 81 parameter V_BACK_4384 = 11'd33; //场显示后沿
- 82 parameter V_DISP_4384 = 11'd480; //场有效数据
- 83 parameter V_FRONT_4384 = 11'd10; //场显示前沿
- 84 parameter V_TOTAL_4384 = 11'd525; //场扫描周期
代码较长，省略部分源代码…… 由本章简介部分可知，在DE模式下，液晶显示屏的同步信号DE对应的是帧和行同时有效的区域段。程序第21行至第84行代码，根据不同分辨率的屏幕做了不同参数的定义，参数的值参考了本章的表 15.1.3。程序第132至196行则根据LCD屏的ID选择不同的时序参数。
程序第105至111行是LCD驱动模块输出的液晶屏控制信号。其中lcd_bl为液晶屏背光控制端口，可以利用该端口输出一个频率在200Hz~1kHz范围之内的PWM（脉冲宽度调制）信号，通过调整PWM信号的占空比来调节液晶屏的显示亮度。这里我们对lcd_bl作简单处理，将其直接赋值为1，此时液晶屏亮度最高。分频模块输出的lcd_pclk直接赋值给LCD屏的lcd_clk（像素时钟）引脚，为RGB LCD屏提供驱动时钟。另外由于我们采用DE同步模式驱动RGB LCD屏，输出给LCD的数据使能信号lcd_de在图像数据有效时拉高，因此可以将模块内部的lcd_en信号直接赋值给lcd_de。另外在DE模式下，需要将输出给LCD的行场同步信号lcd_hs、lcd_vs拉高。
程序第198至208行通过行计数器h_cnt对像素时钟计数，计满一个行扫描周期后清零并重新开始计数。程序第210至222行通过场计数器v_cnt对行进行计数，即扫描完一行后v_cnt加1，计满一个场扫描周期后清零并重新开始计数。
将行场计数器的值与LCD时序中的参数作比较，我们就可以判断DE信号何时有效，以及何时输出RGB888格式的图像数据（第113~117行和第130行）。程序第119至127行输出当前像素点的横纵坐标值，由于坐标输出后下一个时钟周期才能接收到像素点的颜色数据，因此数据请求信号data_req比数据输出使能信号lcd_en提前一个时钟周期。
LCD显示模块的代码如下： - 1 module lcd_display(
- 2 input lcd_pclk, //时钟
- 3 input rst_n, //复位，低电平有效
- 4 input [10:0] pixel_xpos, //当前像素点横坐标
- 5 input [10:0] pixel_ypos, //当前像素点纵坐标
- 6 input [10:0] h_disp, //LCD屏水平分辨率
- 7 input [10:0] v_disp, //LCD屏垂直分辨率
- 8 output reg [23:0] pixel_data //像素数据
- 9 );
- 10
- 11 //parameter define
- 12 parameter WHITE = 24'hFFFFFF; //白色
- 13 parameter BLACK = 24'h000000; //黑色
- 14 parameter RED = 24'hFF0000; //红色
- 15 parameter GREEN = 24'h00FF00; //绿色
- 16 parameter BLUE = 24'h0000FF; //蓝色
- 17
- 18 //根据当前像素点坐标指定当前像素点颜色数据，在屏幕上显示彩条
- 19 always @(posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
- 20 if(!rst_n)
- 21 pixel_data <= BLACK;
- 22 else begin
- 23 if((pixel_xpos >= 11'd0) && (pixel_xpos < h_disp/5*1))
- 24 pixel_data <= WHITE;
- 25 else if((pixel_xpos >= h_disp/5*1) && (pixel_xpos < h_disp/5*2))
- 26 pixel_data <= BLACK;
- 27 else if((pixel_xpos >= h_disp/5*2) && (pixel_xpos < h_disp/5*3))
- 28 pixel_data <= RED;
- 29 else if((pixel_xpos >= h_disp/5*3) && (pixel_xpos < h_disp/5*4))
- 30 pixel_data <= GREEN;
- 31 else
- 32 pixel_data <= BLUE;
- 33 end
- 34 end
- 35
- 36 endmodule
LCD显示模块将屏幕显示区域按照横坐标划分为五列等宽的区域，通过判断像素点的横坐标所在的区域，给像素点赋以不同的颜色值，从而实现彩条显示。
下图为RGB TFT-LCD彩条程序显示一行图像时仿真抓取的波形图，图中包含了一个完整的行扫描周期，其中的有效图像区域被划分为五个不同的区域，不同区域的像素点颜色各不相同。 图 15.4.4 仿真波形图
15.5 下载验证 首先将FPC排线一端与RGB LCD模块上的RGB接口连接，另一端与DFZU2EG/4EV MPSoC开发板上的RGB TFTLCD接口连接。与RGB LCD模块连接时，先掀开FPC连接器上的黑色翻盖，将FPC排线蓝色面朝上插入连接器，最后将黑色翻盖压下以固定FPC排线，如图 15.5.1所示。 图 15.5.1 正点原子RGBLCD模块FPC连接器
与DFZU2EG/4EV MPSoC开发板上的RGB TFTLCD接口连接时，先掀起开发板上的棕色的翻盖到垂直开发板方向，将FPC排线蓝色面朝棕色翻盖垂直插入连接器，最后将棕色的翻盖下按至水平方向，如图 15.5.2所示。 图 15.5.2 DFZU2EG/4EV MPSoC开发板连接RGB LCD液晶屏
最后将下载器一端连电脑，另一端与开发板上的JTAG端口连接，最后拨动开关按键给开发板上电。
接下来我们下载程序，验证RGBTFT-LCD彩条显示功能。下载完成后观察RGB LCD模块显示的图案如下图所示，说明RGB TFT-LCD彩条显示程序下载验证成功。 图 15.5.3 RGB TFT-LCD彩条显示 | 
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发表于 2023-4-11 16:59:34
