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FPGA入门基础之LCD1602液晶屏万年历显示

06/10 10:25
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本文通过以LCD1602液晶显示模块为基础,介绍FPGA驱动LCD1602原理,详细介绍硬件原理图设计及FPGA驱动LCD1602软件设计,通过万年历功能综合实现时钟功能、LCD1602显示功能。

1.硬件设计原理

1.1 概述

LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块,它可以显示字母、数字和符号等。

LCD1602由字符型液晶显示屏(LCD)、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100,以及少量电阻电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。从图2中COM信号、SEG信号可以看出,LCD1602的驱动原理与数码管本质上是类似的,只不过其内部LCD驱动电路实现了对数据的解码,用户只需按照控制接口简单输入要显示的数据即可。

图2:常见的LCD1602内部组成结构

常用的类型有16×1,16×2,20×2和40×2等的模块。不同厂家生产的LCD1602芯片可能有所不同,但使用方法都是一样的,本文以16×2为例进行介绍。

1.2 LCD1602硬件设计

(1)主要技术参数

显示字符容量:16×2个字符,即显示两行字符,每行16个字符;

工作电压:4.5V~5.5V(最佳工作电压5.0V),典型电流2mA@5.0V;

字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。

(2)尺寸大小

LCD1602尺寸大小如图3所示。

图3:LCD1602尺寸大小

(3)信号接口说明

信号接口定义说明如下表所示。

表1:LCD1602信号定义

管脚说明:

    • 管脚1,2,为电源管脚,15,16为背光管脚,均推荐5.0V供电;
    • 管脚3为,对比度调节管脚,需提供偏压电压。其用于LCD1602液晶屏对比度控制,该管脚电压在1.2V±0.1V左右显示对比度较佳,硬件连接是建议采用滑动变阻器对其电压进行控制;管脚4 RS,为数据,命令选择管脚:H:数据选择,L:命令选择;管脚5 R/W,为读写管脚:H:读操作,L:写;管脚6 E,为是能管脚,该信号下降沿有效时,数据传输给内部模块;

管脚7~14 D0~D7,为数据或命令。

(4)原理图设计

LCD1602硬件原理图设计如4所示。

图4:LCD1602硬件原理图

2.软件设计

2.1 LCD1602显示及指令说明

如图3右侧所示,液晶屏每个字符其实是有5×8个LED灯组成,由于LCD1602内部已经集成了专门的驱动芯片,无需用户像数码管那样单独的去控制每一个LED灯,降低了开发难度,减少了硬件连接信号线。

(1)LCD1602内部RAM地址映射图

图5:LCD1602内部RAM地址映射图

LCD1602内部控制器带有80×8位(80字节)的RAM缓冲区如图5所示。LCD1602内部字符表编码如图6所示。

图6:LCD1602内部字符表编码:

(2)指令说明

初始化设置指令:

    • 显示模式设置指令38H:

    • 显示开/关、光标功能

(3)数据控制

控制器内部设有一个数据指针,用户可以通过他们方位内部的全部80字节RAM。

    • 数据指针设置:即如果要在01位置显示字符,RAM的地址必须是01H+80H,即81H,其他位置类似,均需要加上80H。

(4)其他设置

    • 显示清屏和显示回车指令:

2.2 读写操作时序

(1)读操作

读操作时序如图7所示。

图7:读操作时序

读状态:输入:RS = L,RW = H,E = H,输出D0~D7状态字;

读数据:输入:RS = H,RW = H,E = H,输出D0~D7数据。

(2)写操作

写操作时序如图8所示。

图8:读操作时序

写指令:输入:RS = L,RW = L,D0~D7=指令码,E = H,输出无;

写数据:输入:RS = H,RW = L,D0~D7=指令码,E = H,输出D0~D7数据。

读写操作需要注意的是,D0~D7数据要在使能E信号的下降沿写入控制器,要注意tHD2保持时间必须满足手册要求,其他时序参数也要参考手册要求。

2.3 LCD1602上电初始化操作

LCD1602上电必须进行初始化操作,初始化过程如下:

(1)硬件上电后,延迟15ms;
(2)写指令38H(可不检测忙信号);
(3)延迟5ms;
(4)写指令38H(可不检测忙信号);(5)延迟5ms;
(6)写指令38H(可不检测忙信号,以后每次写指令、读写操作前均需检测忙信号,也可通过增大延迟,如5ms,不检测忙信号);

(7)写指令38H:显示模式设置;

(8)写08H:关闭显示;

(9)写0H:显示清屏;

(10)写指令06H:显示光标移动设置;

(11)写指令0CH:显示开及光标设置。

2.4 软件设计

本文要利用LCD1602实现万年历显示。具体功能如下:

(1)DS1302芯片SPI接口驱动功能;
(2)DS1302芯片寄存器读写控制功能,可以实现时钟初始化设置;
(3)按键消抖功能;
(4)LCD1602显示万年历静态设置时间;

(5)LCD1602显示万年历动态时间。

软件功能模块划分如图9所示。

图9:软件设计模块划分框图

各个模块功能:

(1)lcd1602_calendar.v模块为万年历顶层模块,实现模块间互联;(2)spi_driver.v实现DS1302 SPI接口通信功能;
(3)ds1302_ctrl_m.v实现DS1302寄存器读写控制功能,包括将设置值写入芯片和将芯片寄存器值读出控制。
(4)set_init_time.v实现通过按键实现万年历初始值设置;(5)lcd1602_driver.v驱动LCD1602接口实现万年历显示功能(动态显示年、月、日、星期、时、分、秒,温度静态显示);

(6)KeyJitters.v实现按键消抖功能。

3.测试结果

软件下载至电路板,通过SignaTap II在线逻辑分析仪抓取LCD1602接口写数据如下图所示。

图10:LCD1602写操作

通过按键设置万年历初始值,显示在LCD1602上,如图11所示,可以看到万年历时间已经正确显示。

图11:LCD1602万年历初始值设置显示

测试结果详见视频号:FPGA技术实战。

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专注FPGA技术开发,涉及Intel FPGA、Xilinx FPGA技术开发,开发环境使用,代码风格、时序收敛、器件架构以及软硬件项目实战开发,个人公众号:FPGA技术实战。