【正点原子FPGA连载】第二十二章 RGB TFT-LCD彩条显示实验--摘自《正点原子开拓者FPGA开发指南》

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第二十二章 RGB TFT-LCD彩条显示实验

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：
22.1 RGB TFT-LCD简介
22.2 实验任务
22.3 硬件设计
22.4 程序设计
22.5 下载验证

22.1 RGB TFT-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的， 因此TFT-LCD具有较高的响应速度以及较好的图像质量。与VGA不同， TFT-LCD直接接收数字信号， 并能够支持不同的接口类型， 如RGB接口、Intel8080接口等。 本章我们将使用ALIENTEK推出的一款7寸RGB接口TFT液晶显示屏模块（以下简介ATK-7’ RGBLCD模块） 为例， 介绍RGB LCD的使用方法， 如下图所示：

图 22.1.1 ATK-7’RGB接口TFT液晶屏模块

                  ATK-7’ RGBLCD模块采用群创光电的7寸LCD液晶屏AT070TN92，分辨率为800*480，采用RGB888格式的数据接口（也可使用RGB565格式）。下面是AT070TN92输入数据的时序图：

图 22.1.2 AT070TN92行时序图

图 22.1.3 AT070TN92场时序图

从图 22.1.2、 图 22.1.3中可以看到， AT070TN92液晶屏的输入数据有两种同步方式， 分别为行场同步模式（HV Mode）和数据使能同步模式（DE Mode） ,可通过MODE引脚进行选择。AT070TN92的数据手册指出，当MODE引脚拉高时， 选择DE同步模式，此时行场同步信号VS和HS
必须为高电平； 当MODE引脚拉低时， 选择HV同步模式，此时数据使能信号DE必须为低电平。图 22.1.4、 图 22.1.5为AT070TN92输入数据的时序参数：

图 22.1.4 AT070TN92行时序参数

图 22.1.5 AT070TN92场时序参数

                AT070TN92液晶屏在HV模式下的时序图与与VGA接口的时序图非常相似，只是参数不同， 这里我们重新给出LCD彩条显示实验中的时序参数如表 22.1.1所示。

表 22.1.1 不同分辨率的LCD时序参数

由于ATK-7’ RGBLCD模块将液晶屏AT070TN92的MODE引脚拉高了，因此我们需要采用DE模式驱动液晶屏。实际上， 在DE模式下， 同步信号DE对应的正是VGA时序中的有效数据段（c） ， 如图 22.1.6所示：

图 22.1.6 VGA行同步时序

22.2 实验任务
本节实验任务是使用开拓者开发板上的RGB TFT-LCD接口在7寸RGB LCD液晶屏模块（分辨率为800*480） 上显示彩条。 其它尺寸和分辨率的RGB LCD模块，只需要在此基础上稍作修改，即可显示出彩条，修改方法见本节程序设计部分。
22.3 硬件设计
开拓者开发板上RGB TFTLCD接口部分的原理图如图 22.3.1所示。

图 22.3.1 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16bit， 数据格式为RGB565，即数据高5位表示红色， 中间6位表示绿色，低5位表示蓝色。另外， RGBLCD模块支持触摸功能， 图中以字母T开头的5个信号（T_PEN、 T_SCK等）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。本实验中， 各端口信号的管脚分配如下表所示：

表 22.3.1 RGB TFT-LCD彩条实验管脚分配

22.4 程序设计
RGB TFT-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图 22.4.1所示。 其中， 时钟分频模块负责产生像素时钟， LCD驱动模块产生同步信号， LCD显示模块输出图像数据。

图 22.4.1 RGB TFT-LCD彩条显示系统框图

由系统框图可知， FPGA部分包括四个模块， 顶层模块（lcd_rgb_colorbar）、 时钟分频模块（lcd_pll） 、 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另外三个模块的例化。
各模块端口及信号连接如图 22.4.2所示：

图 22.4.2 顶层模块原理图

时钟分频模块（lcd_pll） 通过调用锁相环（PLL） IP核来实现， 我们可以根据表 22.1.1得知实验中LCD显示需要用到的像素时钟。 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，同时还需要输出像素点的 纵横坐标， 供LCD显示模块（lcd_display）调用，以绘制彩条图案。
由于液晶屏AT070TN92的输入时序与与VGA接口的时序非常相似， RGB TFT-LCD的彩条显示程序只需要在VGA彩条显示程序的基础上对VGA驱动模块稍作修改即可。因此这里我们仅介绍

LCD驱动模块，其他模块请大家参考“VGA彩条显示实验” 。
LCD驱动模块的代码如下所示：
1 module lcd_driver(
2 input lcd_clk, //lcd模块驱动时钟
3 input sys_rst_n, //复位信号
4 //RGB LCD接口
5 output lcd_hs, //LCD 行同步信号
6 output lcd_vs, //LCD 场同步信号
7 output lcd_de, //LCD 数据输入使能
8 output [15:0] lcd_rgb, //LCD RGB565颜色数据
9 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号
10 output lcd_rst, //LCD 复位信号
11 output lcd_pclk, //LCD 采样时钟
12
13 input [15:0] pixel_data, //像素点数据
14 output [10:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
15 output [10:0] pixel_ypos //像素点纵坐标
16 );
17
18 //parameter define
19 parameter H_SYNC = 11'd128; //行同步
20 parameter H_BACK = 11'd88; //行显示后沿
21 parameter H_DISP = 11'd800; //行有效数据
22 parameter H_FRONT = 11'd40; //行显示前沿
23 parameter H_TOTAL = 11'd1056; //行扫描周期
24
25 parameter V_SYNC = 11'd2; //场同步
26 parameter V_BACK = 11'd33; //场显示后沿
27 parameter V_DISP = 11'd480; //场有效数据
28 parameter V_FRONT = 11'd10; //场显示前沿
29 parameter V_TOTAL = 11'd525; //场扫描周期
30
31 //reg define

32 reg [10:0] cnt_h;
33 reg [10:0] cnt_v;
34
35 //wire define
36 wire lcd_en;
37 wire data_req;
38
39 //*****************************************************
40 //** main code
41 //*****************************************************
42 assign lcd_bl = 1'b1; //RGB LCD显示模块背光控制信号
43 assign lcd_rst = 1'b1; //RGB LCD显示模块系统复位信号
44 assign lcd_pclk = lcd_clk; //RGB LCD显示模块采样时钟
45
46 assign lcd_de = lcd_en; //LCD输入的颜色数据采用数据输入使能信号同步
47 assign lcd_hs = 1'b1; //RGB LCD 采用数据输入使能信号同步时，
48 assign lcd_vs = 1'b1; //行场同步信号需要拉高
49
50 //使能RGB565数据输出
51 assign lcd_en = (((cnt_h >= H_SYNC+H_BACK) && (cnt_h < H_SYNC+H_BACK+H_DISP))
52 &&((cnt_v >= V_SYNC+V_BACK) && (cnt_v < V_SYNC+V_BACK+V_DISP)))
53 ? 1'b1 : 1'b0;
54
55 //RGB565数据输出
56 assign lcd_rgb = lcd_en ? pixel_data : 16'd0;
57
58 //请求像素点颜色数据输入
59 assign data_req = (((cnt_h >= H_SYNC+H_BACK-1'b1) && (cnt_h < H_SYNC+H_BACK+H_DISP-1'b1))
60 && ((cnt_v >= V_SYNC+V_BACK) && (cnt_v < V_SYNC+V_BACK+V_DISP)))
61 ? 1'b1 : 1'b0;
62
63 //像素点坐标
64 assign pixel_xpos = data_req ? (cnt_h - (H_SYNC + H_BACK - 1'b1)) : 11'd0;
65 assign pixel_ypos = data_req ? (cnt_v - (V_SYNC + V_BACK - 1'b1)) : 11'd0;

66
67 //行计数器对像素时钟计数
68 always @(posedge lcd_clk or negedge sys_rst_n) begin
69 if (!sys_rst_n)
70 cnt_h <= 11'd0;
71 else begin
72 if(cnt_h < H_TOTAL - 1'b1)
73 cnt_h <= cnt_h + 1'b1;
74 else
75 cnt_h <= 11'd0;
76 end
77 end
78
79 //场计数器对行计数
80 always @(posedge lcd_clk or negedge sys_rst_n) begin
81 if (!sys_rst_n)
82 cnt_v <= 11'd0;
83 else if(cnt_h == H_TOTAL - 1'b1) begin
84 if(cnt_v < V_TOTAL - 1'b1)
85 cnt_v <= cnt_v + 1'b1;
86 else
87 cnt_v <= 11'd0;
88 end
89 end
90
91 endmodule
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VGA时序中的有效数据段。为增加程序在VGA显示及RGB LCD显示之间的可移植性， 程序第18至29行的变量声明仍然采用了表 22.1.1中LCD时序的参数， 可以看出这是驱动7寸800*480LCD所用到的时序参数。
当我们要驱动其他尺寸的RGB LCD时，只需要按照表 22.1.1中的参数修改第18至29行的参数声明，并修改PLL中的输出的时钟频率即可。程序42至48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。 lcd_rst为液晶屏的复位信号，低电平时LCD屏复位，我们同样将其
赋值为1，使LCD上电后始终处于工作状态。 另外由于ATK-7’ RGBLCD模块采用DE同步模式， 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_hs拉高。
LCD驱动模块的其他部分与VGA驱动模块完全相同（时钟分频模块输出的时钟有差异，因为RGB LCD和VGA分辨率不同，本次实验时钟分频模块输出的时钟为33.3Mhz） ， 更详细的设计思路请大家参考“VGA彩条显示实验”中的相关介绍。
图 22.4.3为RGB TFT-LCD彩条程序显示一行图像时SignalTap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。 此外， LCD背光控制信号、 LCD复位信号、以及行场同步信号均一直拉高。

图 22.4.3 SignalTap波形图

22.5 下载验证
首 先 我 们 打 开 RGB TFT-LCD 彩 条 显 示 工 程 ， 在 工 程 所 在 的 路 径 下 打 开lcd_rgb_colorbar/par文件夹， 在里面找到“lcd_rgb_colorbar.qpf” 并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、 数字以及下划线组成， 不能出现中文、空格以及特殊字符等。工程打开后如图 22.5.1所示。

图 22.5.1 RGB TFT-LCD彩条显示工程

然后将FPC排线一端与RGBLCD模块上的J1接口连接， 另一端与开拓者开发板上的J1接口连接，如图 22.5.2、 图 22.5.3所示。 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。

图 22.5.2 ATK-7’RGBLCD模块FPC连接器

图 22.5.3 开拓者开发板FPC连接器

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， 连接电源线并打开电源开关。接下来我们下载程序，验证RGB TFT-LCD彩条显示功能。工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer” 图标打开下载界面， 通过“Add File” 按钮选择lcd_rgb_colorbar/par/output_files目录下的“lcd_rgb_colorbar.sof” 文件。 开发板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup” ， 在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster[USB-0]” 。 然后点击“Start” 将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板中，

如图 22.5.4所示。

下载完成后观察ATK-7’ RGBLCD模块显示的图案如图 22.5.5所示， 说明RGB TFT-LCD彩条显示程序下载验证成功。

图 22.5.5 RGB TFT-LCD彩条显示