隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高。液晶顯示器" target="_blank">液晶顯示器(LCD)以其具有功耗低、體積小、重最輕、超薄等許多其他顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),近幾年來(lái)被廣泛用于智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。本文介紹一種基于NIOSⅡ的LCD的控制方法。利用SoPC技術(shù),在NIOSⅡ系統(tǒng)中添加相應(yīng)的I/O端口實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器的控制。
NIOSⅡ嵌入式處理器以其設(shè)計(jì)靈活在嵌入式領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。著重介紹嵌入式系統(tǒng)中的液晶顯示屏模塊。比較NIOSⅡ與ARM嵌入式處理器的特點(diǎn),以SED1520為例,闡述一種基于NIOSⅡ的液晶顯示屏的軟硬件控制方法,給出硬件原理圖與部分軟件代碼。該方案能夠有效地實(shí)現(xiàn)LCD的顯示。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)其他模塊的開發(fā)具有借鑒意義。
1 NIOSⅡ嵌入式軟核處理器
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展 和半導(dǎo)體制造工藝的提高,工業(yè)生產(chǎn)、家用電器中的監(jiān)測(cè)控制、信號(hào)處理等集成電路設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了片上系統(tǒng)(System On Chip)時(shí)代。在傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)中,需要考慮大量的外圍電路 ,而且由于 PCB板中的IC芯片之間的連線延時(shí),以及本身的體積和重量等因素的限制,整機(jī)系統(tǒng)的性能受到了很大的制約。FPGA可以把整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,功能密度高、體積小、功耗低 、可靠性高,因此獲得了廣泛的應(yīng)用。而且同 ASIC相比,F(xiàn)PGA成本低廉,設(shè)計(jì)靈活 ,成為了集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。
但是對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng) ,比如有很多種狀態(tài)機(jī),或者有很多外設(shè)的系統(tǒng),純粹用基于硬件的 FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)還是 比較困難的,因此通常是把一個(gè)微處理器嵌入到FPGA芯片中,用來(lái)控制各種狀態(tài)的切換、協(xié)調(diào)各個(gè)外設(shè)之間的同步以及實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的調(diào)度。
Nios是 Altera公司推出的嵌入在其 FPGA內(nèi)部的軟核處理器,它的可配置程度很高,可以將外部存儲(chǔ)器(包括 ROM,RAM),液晶顯示屏,以太網(wǎng)控制器,CDR驅(qū)動(dòng)器 ,USB接口甚至紅外適配器 等外部設(shè)備連接在一起 ,協(xié)調(diào)它們之間的多機(jī)協(xié)同和數(shù)據(jù)共享 ,必要的時(shí)候還可以在Nios核中加入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多任務(wù)的調(diào)度。而且 Nios價(jià)格便宜 ,設(shè)計(jì)靈活 ,因此正在獲得越來(lái)越廣泛的使用,目前已經(jīng)在藍(lán)牙一以太網(wǎng)接入,遠(yuǎn)程信號(hào)采集等方面得到了應(yīng)用。
NIOSⅡ是Altera公司在NIOS的基礎(chǔ)上,于2004年發(fā)布的嵌入式軟核處理器。所謂軟核,是指用HDL文本形式提交給用戶,他經(jīng)過(guò)RTL級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證,但其中不含任何具體的物理信息。NIOSⅡ是采用流水線技術(shù)和哈佛結(jié)構(gòu)的通用RISC(Refined Instruction Set Computer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))。一個(gè)NIOSⅡ處理器系統(tǒng)由NIOSⅡCPU和一系列的外設(shè)組成。NIOSⅡ系統(tǒng)包括NIOSⅡCPU、片內(nèi)外設(shè)、片內(nèi)存儲(chǔ)器和片外外設(shè),他們的接口都在Altera公司的芯片上實(shí)現(xiàn)。相當(dāng)于在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)1臺(tái)計(jì)算機(jī)或1個(gè)微控制器。所有的NIOSⅡ處理器系統(tǒng)使用統(tǒng)一的指令集和編程方式。NIOSⅡ的處理器實(shí)例如圖1所示。
ARM是常用的嵌入式處理器之一。在設(shè)計(jì)SoC時(shí),常把ARM作為硬核植入到FPGA中。硬核具有成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是將IP硬核直接植入FPGA的解決力案存在以下不足:由于硬核是預(yù)先植入的,設(shè)計(jì)者無(wú)法相據(jù)實(shí)際需要改變處理器的結(jié)構(gòu);無(wú)法根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要在同一FPGA中集成多個(gè)處理器;無(wú)法根據(jù)需要裁減處理器硬件資源以降低FPGA成本等。
2 液晶屏控制器的選擇
SED1520系列是日本Seiko Epson公司出品的將行、列驅(qū)動(dòng)器和控制器集成在一起的控制器。在小規(guī)模圖形液晶顯示模塊上使用SED1520液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器,組成顯示驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)是低成本、低功耗、高集成的最佳選擇。
SED1520的基本特點(diǎn)有:快速8位MCU接口,可適配Intel8080系列或M6800系列時(shí)序;豐富的指令集;共80個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出;低功耗:外部時(shí)鐘2 kHz時(shí)為30μW;占空比可設(shè)置為1/16或1/32;低功耗CMOS工藝;可以級(jí)聯(lián)使用,以擴(kuò)展行、列驅(qū)動(dòng)力;電源范圍廣:LCD電壓VDD-VSS=-2.4~-7.0 V;SED1520系列共有6種型號(hào):SED1520FOA,SED1520FAA,SED1521FOA,SED1521FAA,SED1520D,SED1521D。其中SED1520FOA應(yīng)用最為廣泛,SED1520的指令集見表1。
3 LCD的硬件設(shè)計(jì)
一般來(lái)說(shuō),對(duì)于不太復(fù)雜的系統(tǒng),把外部設(shè)備看作普通PIO是比較簡(jiǎn)單的方法。首先在QUARTUSⅡ軟件中的SoPC BUILDER中添加1個(gè)8位的lcd_data[70],4個(gè)1位的lcd_cd,led_ce,lcd_rd,lcd_wr。再設(shè)置lcd_data的屬性為雙向三態(tài)“Tri_state”,其他4個(gè)信號(hào)的屬性設(shè)為“Output only”。lcd_data[70]為數(shù)據(jù)位,傳輸數(shù)據(jù);lcd_cd為命令、數(shù)據(jù)使能信號(hào),當(dāng)lcd_cd為高電平時(shí)數(shù)據(jù)線上傳輸命令,當(dāng)lcd_cd為低電平時(shí)數(shù)據(jù)線上傳輸數(shù)據(jù);lcd_ce為片選信號(hào),低電平有效;lcd_rd為讀使能,低電平有效;lcd_wr為寫使能,低電平有效。NIOSⅡ和LCD模塊的接口電路如圖2所示。圖2中LCD硬件原理備注:讀狀態(tài)字的代碼中,D7對(duì)應(yīng)BUSY,D7=1為忙,D7=0為準(zhǔn)備好;D6對(duì)應(yīng)ADC,D6=1為反向方式,D6=0為正常方式;D5對(duì)應(yīng)當(dāng)前顯示狀態(tài),D5=1為關(guān)顯示,D5=0為開顯示;D4對(duì)應(yīng)復(fù)位信號(hào),D4=1為執(zhí)行復(fù)位,D4=0為正常操作。
4 LCD的軟件設(shè)計(jì)
由于所有在LCD屏幕上顯示的數(shù)據(jù),不論是文本方式,還是圖形方式,都存放在外部的顯示存儲(chǔ)器中所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí),NIOSⅡ處理器只要將指令直接送至LCD的外部顯示存儲(chǔ)區(qū),控制器就可以控制液晶屏顯示用戶所需要的數(shù)據(jù)及其顯示方式。下面以寫單參數(shù)命令子程序和寫數(shù)據(jù)子程序?yàn)槔?,介紹軟件設(shè)計(jì)過(guò)程:
5 結(jié)語(yǔ)
本文闡述基于NIOSⅡ嵌入式處理器控制液晶顯示器的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)方法。通過(guò)該設(shè)計(jì),充分體現(xiàn)出NIOSⅡ嵌入式處理器在設(shè)計(jì)中的靈活性,更好地節(jié)約了成本。
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