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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。