【正点原子FPGA连载】第二十一章 RGB-LCD彩条显示实验--摘自【正点原子】超越者之FPGA开发指南 V1.1

正点原子运营 · 发表于 2021-1-16 11:29:34

本帖最后由正点原子运营于 2021-1-18 16:15 编辑

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第二十一章 RGB-LCD彩条显示实验

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，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：

1

1.1 简介

1.2 实验任务

1.3 硬件设计

1.4 程序设计

1.5 下载验证

1.1 简介

LCD的全称是Liquid Crystal Display，即液晶显示屏，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21.1.1 ATK-7’RGB接口液晶屏模块

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。我们现在要在超越者开发板上使用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显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21.1.2所示：

图 21.1.2 像素点排布

上图就是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。我们超越者开发板上的RGB-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 21.1.3 RGB888数据格式

在图 21.1.3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，蓝色对应的值就是24’h00FF00，绿色对应的值为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 21.1.4所示：

图 21.1.4 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，超越者开发板支持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 21.1.1 RGB数据线

表 21.1.1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RGB-LCD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下图所示：

图21.1.5 RGB-LCD液晶屏幕接口

图中RGB TFT LCD就是对外接口，是一个40PIN的FPC座（0.5mm间距），通过FPC线，可以连接到超越者开发板上面，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。LCD_R7/G7/B7 则用来设置LCD的ID，由于RGB-LCD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FPGA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 21.1.2所示：

表 21.1.2 RGB-LCD模块和ID对应关系

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 21.1.6所示：

图 21.1.6 LCD时间参数

结合图 21.1.6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 21.1.6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 21.1.6的左上角。

在图 21.1.6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 21.1.6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 21.1.6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 21.1.6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 21.1.6中的VBP。

HBP、HFP、VBP和VFP就是导致图 21.1.6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 21.1.7所示。

图 21.1.7 LCD行显示时序

图 21.1.7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 21.1.7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 21.1.8所示：

图 21.1.8 LCD帧显示时序

图21.1.8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 21.1.8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RGB-LCD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 21.1.7和图 21.1.8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 21.1.7和图 21.1.8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 21.1.3所示：

表 21.1.3 不同分辨率的LCD时序参数

1.2 实验任务

本节的实验任务是使用超越者开发板上的RGB-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。

1.3 硬件设计

超越者开发板上RGB-LCD接口部分的原理图如下图所示。

图21.3.1 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位颜色数据对超越者开发板来说，是一个双向的引脚。

另外，RGB-LCD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21.3.1 RGB-LCD彩条实验管脚分配

对应的UCF约束语句如下所示：

NET"lcd_rgb[23]" LOC = A7 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[22]" LOC = B6 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[21]" LOC = A6 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[20]" LOC = B5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[19]" LOC = A5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[18]" LOC = C4 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[17]" LOC = A4 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[16]" LOC = C5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[15]" LOC = A11 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[14]" LOC = B10 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[13]" LOC = A10 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[12]" LOC = C9 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[11]" LOC = A9 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[10]" LOC = B8 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[9]" LOC = A8 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[8]" LOC = C7 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[7]" LOC = F14 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[6]" LOC = B14 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[5]" LOC = A14 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[4]" LOC = C13 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[3]" LOC = A13 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[2]" LOC = B12 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[1]" LOC = A12 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_rgb[0]" LOC = C11 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_bl" LOC = D16 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_clk" LOC = B15 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_de" LOC = C15 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_hs" LOC = B16 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"lcd_vs" LOC = C16 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"sys_clk" LOC = N8 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET"sys_rst_n" LOC = G16 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";

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1.4 程序设计

RGB-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21.4.1 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。

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。

顶层模块的代码如下：

module lcd_rgb_colorbar(
input sys_clk， //系统时钟
input sys_rst_n， //系统复位
//RGB LCD接口
output lcd_de， //LCD 数据使能信号
output lcd_hs， //LCD 行同步信号
output lcd_vs， //LCD 场同步信号
output lcd_clk， //LCD像素时钟
inout [23:0 lcd_rgb， //LCD RGB888颜色数据
output lcd_bl
);
wire [15:0 lcd_id ; //LCD屏ID
wire lcd_pclk ; //LCD像素时钟
wire [10:0 pixel_xpos; //当前像素点横坐标
wire [10:0 pixel_ypos; //当前像素点纵坐标
wire [10:0 h_disp ; //LCD屏水平分辨率
wire [10:0 v_disp ; //LCD屏垂直分辨率
wire [23:0 pixel_data; //像素数据
wire [23:0 lcd_rgb_o ; //输出的像素数据
wire [23:0 lcd_rgb_i ; //输入的像素数据
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//像素数据方向切换
assign lcd_rgb =lcd_de ? lcd_rgb_o : {24{1'bz}};
assign lcd_rgb_i = lcd_rgb;
//pll模块
pll u_pll
(// Clock inports
.CLK_IN1 (sys_clk)， // IN
//Clock out ports
.CLK_OUT1 (clk_100m));
//读LCD ID模块
rd_id u_rd_id(
.clk (clk_100m )，
.rst_n (sys_rst_n)，
.lcd_rgb (lcd_rgb_i)，
.lcd_id (lcd_id )
);
//时钟分频模块
clk_div u_clk_div(
.clk (clk_100m )，
.rst_n (sys_rst_n)，
.lcd_id (lcd_id )，
.lcd_pclk (lcd_pclk )
);
//LCD显示模块
lcd_display u_lcd_display(
.lcd_pclk (lcd_pclk )，
.rst_n (sys_rst_n )，
.pixel_xpos (pixel_xpos)，
.pixel_ypos (pixel_ypos)，
.h_disp (h_disp )，
.v_disp (v_disp )，
.pixel_data (pixel_data)
);
//LCD驱动模块
lcd_driver u_lcd_driver(
.lcd_pclk (lcd_pclk )，
.rst_n (sys_rst_n )，
.lcd_id (lcd_id )，
.pixel_data (pixel_data)，
.pixel_xpos (pixel_xpos)，
.pixel_ypos (pixel_ypos)，
.h_disp (h_disp )，
.v_disp (v_disp )，
.lcd_de (lcd_de )，
.lcd_hs (lcd_hs )，
.lcd_vs (lcd_vs )，
.lcd_clk (lcd_clk )，
.lcd_rgb (lcd_rgb_o )，
.lcd_rst (lcd_rst )，
.lcd_bl (lcd_bl)
);
endmodule

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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30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。

读取ID模块的代码如下：

module rd_id(
input clk ， //时钟
input rst_n ， //复位，低电平有效
input [23:0 lcd_rgb， //RGB LCD像素数据，用于读取ID
output reg [15:0 lcd_id //LCD屏ID
);
//reg define
reg [7:0 rd_flag; //读ID标志
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//获取LCDID M2:B7 M1:G7 M0:R7
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
rd_flag <= 8'b0;
lcd_id <= 16'd0;
end
else begin
rd_flag <= {rd_flag[6:0，1'b1};
if(rd_flag == 8'h3f) begin
case({lcd_rgb[7，lcd_rgb[15，lcd_rgb[23]})
3'b000 : lcd_id <= 16'h4342; //4.3'RGB LCD RES:480x272
3'b001 : lcd_id <= 16'h7084; //7' RGB LCD RES:800x480
3'b010 : lcd_id <= 16'h7016; //7' RGB LCD RES:1024x600
3'b100 : lcd_id <= 16'h4384; //4.3'RGB LCD RES:800x480
3'b101 : lcd_id <= 16'h1018; //10' RGB LCD RES:1280x800
default : lcd_id <= 16'h4342;
endcase
end
end
end
endmodule

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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8’h3f时，获取一次ID而当rd_flag等于其他值时，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：

module clk_div(
input clk， //100Mhz
input rst_n，
input [15:0 lcd_id，
output reg lcd_pclk
);
//reg define
reg clk_50m;
reg clk_25m;
reg clk_12_5m;
reg div_4_cnt;
reg [1:0 div_8_cnt;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//时钟2分频输出50MHz时钟
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
clk_50m <= 1'b0;
else
clk_50m <= ~clk_50m;
end
//时钟4分频输出25MHz时钟
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
div_4_cnt <= 1'b0;
clk_25m <= 1'b0;
end
else begin
div_4_cnt <= div_4_cnt + 1'b1;
if(div_4_cnt == 1'b1)
clk_25m <= ~clk_25m;
end
end
//时钟8分频输出12.5MHz时钟
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
div_8_cnt <= 1'b0;
clk_12_5m <= 1'b0;
end
else begin
div_8_cnt <= div_8_cnt + 1'b1;
if(div_8_cnt == 2'd3)
clk_12_5m <= ~clk_12_5m;
end
end
always @(*) begin
case(lcd_id)
16'h4342 : lcd_pclk = clk_12_5m;
16'h7084 : lcd_pclk = clk_25m;
16'h7016 : lcd_pclk = clk_50m;
16'h4384 : lcd_pclk = clk_25m;
16'h1018 : lcd_pclk = clk_50m;
default : lcd_pclk = 1'b0;
endcase
end
endmodule

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分频模块根据输入的LCD ID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3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、25Mhz的时钟和一个12.5Mhz的时钟，如代码中第19行至第51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，用modelsim仿真得到的四分频的波形图如下图所示(tb文件在lcd_rgb_colorbar/sim/tb文件夹下)：

file:///C:/Users/WCY/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image019.jpg

图21.4.2 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，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53行至第62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：

module lcd_driver(
input lcd_pclk， //时钟
input rst_n， //复位，低电平有效
input [15:0 lcd_id， //LCD屏ID
input [23:0 pixel_data， //像素数据
output [10:0 pixel_xpos， //当前像素点横坐标
output [10:0 pixel_ypos， //当前像素点纵坐标
output reg [10:0 h_disp， //LCD屏水平分辨率
output reg [10:0 v_disp， //LCD屏垂直分辨率
//RGB LCD接口
output lcd_de， //LCD 数据使能信号
output lcd_hs， //LCD 行同步信号
output lcd_vs， //LCD 场同步信号
output reg lcd_bl， //LCD 背光控制信号
output lcd_clk， //LCD像素时钟
output [23:0 lcd_rgb， //LCD RGB888颜色数据
output reg lcd_rst
);
//parameter define
// 4.3' 480*272
parameter H_SYNC_4342 = 11'd41; //行同步
parameter H_BACK_4342 = 11'd2; //行显示后沿
parameter H_DISP_4342 = 11'd480; //行有效数据
parameter H_FRONT_4342 = 11'd2; //行显示前沿
parameter H_TOTAL_4342 = 11'd525; //行扫描周期
parameter V_SYNC_4342 = 11'd10; //场同步
parameter V_BACK_4342 = 11'd2; //场显示后沿
parameter V_DISP_4342 = 11'd272; //场有效数据
parameter V_FRONT_4342 = 11'd2; //场显示前沿
parameter V_TOTAL_4342 = 11'd286; //场扫描周期
// 7' 800*480
parameter H_SYNC_7084 = 11'd128; //行同步
parameter H_BACK_7084 = 11'd88; //行显示后沿
parameter H_DISP_7084 = 11'd800; //行有效数据
parameter H_FRONT_7084 = 11'd40; //行显示前沿
parameter H_TOTAL_7084 = 11'd1056; //行扫描周期
parameter V_SYNC_7084 = 11'd2; //场同步
parameter V_BACK_7084 = 11'd33; //场显示后沿
parameter V_DISP_7084 = 11'd480; //场有效数据
parameter V_FRONT_7084 = 11'd10; //场显示前沿
parameter V_TOTAL_7084 = 11'd525; //场扫描周期
// 7' 1024*600
parameter H_SYNC_7016 = 11'd20; //行同步
parameter H_BACK_7016 = 11'd140; //行显示后沿
parameter H_DISP_7016 = 11'd1024; //行有效数据
parameter H_FRONT_7016 = 11'd160; //行显示前沿
parameter H_TOTAL_7016 = 11'd1344; //行扫描周期
parameter V_SYNC_7016 = 11'd3; //场同步
parameter V_BACK_7016 = 11'd20; //场显示后沿
parameter V_DISP_7016 = 11'd600; //场有效数据
parameter V_FRONT_7016 = 11'd12; //场显示前沿
parameter V_TOTAL_7016 = 11'd635; //场扫描周期
// 10.1' 1280*800
parameter H_SYNC_1018 = 11'd10; //行同步
parameter H_BACK_1018 = 11'd80; //行显示后沿
parameter H_DISP_1018 = 11'd1280; //行有效数据
parameter H_FRONT_1018 = 11'd70; //行显示前沿
parameter H_TOTAL_1018 = 11'd1440; //行扫描周期
parameter V_SYNC_1018 = 11'd3; //场同步
parameter V_BACK_1018 = 11'd10; //场显示后沿
parameter V_DISP_1018 = 11'd800; //场有效数据
parameter V_FRONT_1018 = 11'd10; //场显示前沿
parameter V_TOTAL_1018 = 11'd823; //场扫描周期
// 4.3' 800*480
parameter H_SYNC_4384 = 11'd128; //行同步
parameter H_BACK_4384 = 11'd88; //行显示后沿
parameter H_DISP_4384 = 11'd800; //行有效数据
parameter H_FRONT_4384 = 11'd40; //行显示前沿
parameter H_TOTAL_4384 = 11'd1056; //行扫描周期
parameter V_SYNC_4384 = 11'd2; //场同步
parameter V_BACK_4384 = 11'd33; //场显示后沿
parameter V_DISP_4384 = 11'd480; //场有效数据
parameter V_FRONT_4384 = 11'd10; //场显示前沿
parameter V_TOTAL_4384 = 11'd525; //场扫描周期
//reg define
reg [10:0 h_sync ;
reg [10:0 h_back ;
reg [10:0 h_total;
reg [10:0 v_sync ;
reg [10:0 v_back ;
reg [10:0 v_total;
reg [10:0 h_cnt ;
reg [10:0 v_cnt ;
//wire define
wire lcd_en;
wire data_req;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//RGB LCD 采用DE模式时，行场同步信号需要拉高
assign lcd_hs = 1'b1; //LCD行同步信号
assign lcd_vs = 1'b1; //LCD场同步信号
//assign lcd_bl =1'b1; //LCD背光控制信号
assign lcd_clk = lcd_pclk; //LCD像素时钟
assign lcd_de = lcd_en; //LCD数据有效信号
//使能RGB888数据输出
assign lcd_en = ((h_cnt >= h_sync + h_back) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp)
&& (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
? 1'b1 : 1'b0;
//请求像素点颜色数据输入
assign data_req = ((h_cnt>h_sync + h_back - 1'b1) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp - 1'b1)
&& (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
? 1'b1 : 1'b0;
//像素点坐标
assign pixel_xpos = data_req ? (h_cnt - (h_sync + h_back - 1'b1)) : 11'd0;
assign pixel_ypos = data_req ? (v_cnt - (v_sync + v_back - 1'b1)) : 11'd0;
//RGB888数据输出
assign lcd_rgb =lcd_en ? pixel_data : 24'd0;
//行场时序参数
always @(posedge lcd_pclk) begin
case(lcd_id)
16'h4342 : begin
h_sync <= H_SYNC_4342;
h_back <= H_BACK_4342;
h_disp <= H_DISP_4342;
h_total <= H_TOTAL_4342;
v_sync <= V_SYNC_4342;
v_back <= V_BACK_4342;
v_disp <= V_DISP_4342;
v_total <= V_TOTAL_4342;
end
16'h7084 : begin
h_sync <= H_SYNC_7084;
h_back <= H_BACK_7084;
h_disp <= H_DISP_7084;
h_total <= H_TOTAL_7084;
v_sync <= V_SYNC_7084;
v_back <= V_BACK_7084;
v_disp <= V_DISP_7084;
v_total <= V_TOTAL_7084;
end
16'h7016 : begin
h_sync <= H_SYNC_7016;
h_back <= H_BACK_7016;
h_disp <= H_DISP_7016;
h_total <= H_TOTAL_7016;
v_sync <= V_SYNC_7016;
v_back <= V_BACK_7016;
v_disp <= V_DISP_7016;
v_total <= V_TOTAL_7016;
end
16'h4384 : begin
h_sync <= H_SYNC_4384;
h_back <= H_BACK_4384;
h_disp <= H_DISP_4384;
h_total <= H_TOTAL_4384;
v_sync <= V_SYNC_4384;
v_back <= V_BACK_4384;
v_disp <= V_DISP_4384;
v_total <= V_TOTAL_4384;
end
16'h1018 : begin
h_sync <= H_SYNC_1018;
h_back <= H_BACK_1018;
h_disp <= H_DISP_1018;
h_total <= H_TOTAL_1018;
v_sync <= V_SYNC_1018;
v_back <= V_BACK_1018;
v_disp <= V_DISP_1018;
v_total <= V_TOTAL_1018;
end
default : begin
h_sync <= H_SYNC_4342;
h_back <= H_BACK_4342;
h_disp <= H_DISP_4342;
h_total <= H_TOTAL_4342;
v_sync <= V_SYNC_4342;
v_back <= V_BACK_4342;
v_disp <= V_DISP_4342;
v_total <= V_TOTAL_4342;
end
endcase
end
//行计数器对像素时钟计数
always@ (posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
h_cnt <= 11'd0;
else begin
if(h_cnt == h_total -1'b1)
h_cnt <= 11'd0;
else
h_cnt <= h_cnt + 1'b1;
end
end
//场计数器对行计数
always@ (posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
v_cnt <= 11'd0;
else begin
if(h_cnt == h_total -1'b1) begin
if(v_cnt == v_total -1'b1)
v_cnt <= 11'd0;
else
v_cnt <= v_cnt + 1'b1;
end
end
end
always@ (posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)begin
lcd_rst<=0;
lcd_bl<=0;
end
else begin
lcd_rst<=1;
lcd_bl<=1;
end
end
endmodule

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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85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 21.1.3。程序第130至194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。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196至206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208至220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113~116行和第128行）。程序第118至125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：

module lcd_display(
input lcd_pclk， //时钟
input rst_n， //复位，低电平有效
input [10:0 pixel_xpos， //当前像素点横坐标
input [10:0 pixel_ypos， //当前像素点纵坐标
input [10:0 h_disp， //LCD屏水平分辨率
input [10:0 v_disp， //LCD屏垂直分辨率
output reg [23:0 pixel_data //像素数据
);
//parameter define
parameter WHITE = 24'hFFFFFF; //白色
parameter BLACK = 24'h000000; //黑色
parameter RED = 24'hFF0000; //红色
parameter GREEN = 24'h00FF00; //绿色
parameter BLUE = 24'h0000FF; //蓝色
//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
always @(posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
pixel_data <= BLACK;
else begin
if((pixel_xpos >= 11'd0) && (pixel_xpos < h_disp/5*1))
pixel_data <= WHITE;
else if((pixel_xpos >= h_disp/5*1) && (pixel_xpos < h_disp/5*2))
pixel_data <= BLACK;
else if((pixel_xpos >= h_disp/5*2) && (pixel_xpos < h_disp/5*3))
pixel_data <= RED;
else if((pixel_xpos >= h_disp/5*3) && (pixel_xpos < h_disp/5*4))
pixel_data <= GREEN;
else
pixel_data <= BLUE;
end
end
endmodule

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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-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。用modelsim仿真得到的波形图如下图所示(tb文件在lcd_rgb_colorbar/sim/tb文件夹下)：

图21.4.3 仿真波形图

1.5 下载验证

首先将FPC排线一端与RGB-LCD连接，另一端与超越者开发板上的RGB -LCD接口连接。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21.5.1和图 21.5.2所示。

图 21.5.1 正点原子RGBLCD模块FPC连接器

图 21.5.2 超越者开发板连接RGB-LCD液晶屏

接下来分别连接JTAG接口和电源线，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-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-LCD彩条显示程序下载验证成功。

图21.5.3 RGB-LCD彩条显示

haydon123 · 发表于 2021-5-27 18:39:02

请教低功耗需要怎么处理？

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[XILINX] 【正点原子FPGA连载】第二十一章 RGB-LCD彩条显示实验--摘自【正点原子】超越者之FPGA开发指南 V1.1

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