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10.4 利用FPGA实现常用显示接口（Display Interface）
10.4.1 七段数码显示接口的设计与实现
七段数码管因为价格低廉，使用简单，经常被用来实现一些简单的状态显示功能。七段数码管的标准外观图如图10.16所示。右下角的圆点用Dp来表示，用来实现小数点的显示。
七段数码管经常用来显示十进制或十六进制的数，所以在数据显示之前，首先要进行二进制到十进制或者十六进制的转换。将它们转换成十进制的或是十六进制的数。
七段数码管分为共阴和共阳两种类型。比如，红色飓风开发板使用的是共阴类型的数码管，信号是高电平有效。十六进制数据在显示的时候对应的各段输出对应关系如表10.2所示。
表10.2 十六进制数据与输出的映射关系
|
数 据 |
a |
b |
c |
d |
e |
f |
g |
Dp |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
3 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
4 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
5 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
6 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
7 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
8 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
9 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
A |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
B |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
C |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
D |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
E |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
F |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
红色飓风开发板上采用的是4位并联的数码管。4个数码管共用8条数据线，控制线是独立的。如果4个数码管要显示不同的数值，比如显示1234，那么就需要采用一种控制策略。最常用的方法就是动态扫描显示。
动态扫描显示利用了时分的原理和人的视觉暂留效应。例如，一个4位动态扫描数码显示器的显示周期可划分为4个阶段。
阶段1→阶段2→阶段3→阶段4
每个周期只选通一位数据。在周期1显示第一个数码，周期2显示第二个数码。在扫描4个阶段后，又重新按顺序循环。如果扫描的速度足够快，从视觉上看就好像4个数码管同时显示不同的内容。
4位扫描数码管共有4组BCD码（4位）输入线，8根8段译码输出线和4根位选通线。扫描工作中，先从4组BCD数据中选出一组，通过BCD/7段译码器译码后输出。与此同时，3/8译码器产生位选通信号，则在此瞬间，数码管应该为要显示的数值。然后再选出下一组数据译码后输出，位选通信号则相应下移一位，将下一数码管选通输出，如图10.17所示。
图10.17 动态扫描原理示意图
10.4.2 字符型LCD显示接口的设计与实现
液晶屏（LCD）通常分为点阵型和字符型两种。字符型的液晶屏相对于数码管来说，可以显示更多的内容和字符，人机界面更为友好，而且操作简单，因此得到了广泛的应用。不同厂家的字符型LCD虽然型号不同，但是操作方法基本是一致的。
字符型LCD一般会根据显示字符的数量来确定型号，如1602表示这个液晶可以显示2行字符，每行为16个。红色飓风开发板上采用的字符型LCD的型号就是1602。下面就以1602为例来介绍字符型LCD显示接口的设计方法。
1602型液晶模块采用14针标准接口，各个管脚的定义如表10.3所示。
表10.3 1602型液晶模块的管脚配置表
|
管 脚 |
符 号 |
说 明 |
|
1 |
VSS |
器件地 |
|
2 |
+5V电源 |
|
|
3 |
V0 |
对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10kW的电位器调整对比度 |
|
4 |
RS |
|
|
5 |
RW |
读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平、RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平、RW为低电平时可以写入数据 |
|
6 |
E |
使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令 |
|
7～14 |
D0～D7 |
8位双向数据线 |
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形。这些字符包括：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是0100_0001B（41H）。
显示的时候，模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。在编程实时，只需要输入相应字符的地址，液晶屏就会输出相应的字符。
FPGA对液晶模块的写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。1602型液晶的操作指令表如表10.4所示。
表10.4 1602型液晶模块的指令表
|
序 号 |
指 令 |
RS |
RW |
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
|
1 |
清显示 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
2 |
光标返回 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
* |
|
3 |
光标或显示模式 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
I/D |
S |
|
4 |
显示开/关控制 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
D |
C |
B |
|
5 |
光标或字符移位 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
S/C |
R/L |
* |
* |
|
6 |
功能设置命令 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
DL |
N |
F |
* |
* |
|
7 |
字符发生器地址设置 |
0 |
0 |
0 |
1 |
字符发生器地址（AGG） |
|||||
|
8 |
DDRAM地址设置 |
0 |
0 |
1 |
显示数据存储器DDRAM的地址（ADD） |
||||||
|
9 |
读忙标志或地址 |
0 |
1 |
BF |
计数器地址（AC） |
||||||
|
10 |
写数据到RAM |
1 |
0 |
要写的数据 |
|||||||
|
11 |
从RAM读数据 |
1 |
1 |
读出的数据 |
|||||||
各条指令的说明如下（表10.4中，设1为高电平、0为低电平）。
· 指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。
· 指令2：光标返回，光标返回到地址00H。
· 指令3：光标和显示模式设置。其中I/D表示光标移动方向，高电平右移，低电平左移；S表示屏幕上所有文字是否左移或者右移，高电平表示有效，低电平则无效。
· 指令4： 显示开/关控制。 其中D表示控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C表示控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B表示控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
· 指令5：光标或显示移位。其中S/C表示高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标；R/L表示文字或光标的移动方向，高电平为右移，低电平为左移。
· 指令6：功能设置命令。其中DL表示高电平时为4位总线，低电平时为8位总线；N表示低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F表示低电平时显示5×7的点阵字符，高电平时显示5×10的点阵字符。
· 指令7：字符发生器RAM地址设置。
· 指令8：DDRAM地址设置。
· 指令9：读忙信号和光标地址。其中BF表示忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
· 指令10：写数据。
· 指令11：读数据。
10.4.3 VGA显示接口的设计与实现
由于VGA接口是模拟信号，而FPGA只能支持数字信号，因此需要专用的D/A转换芯片来实现模拟到数字的转换。常用的DAC芯片有ADI公司的ADV7123或者ADV7125等。
在某些应用场合下，VGA显示器仅仅是用来显示文字符号或者简单图形，不需要丰富的色彩和细腻的画面。这时候，VGA接口就可以适当地简化。
标准的VGA接口连接器为DB15，在15个管脚里面有5个是最重要的。它们分别是红、绿，蓝三基色信号和水平、垂直两个同步控制信号，如图10.18所示，其中，VGA_R、VGA_G、VGA_B、VGA_HS、VGA_VS是直接连接到FPGA的管脚。
图10.18 简化的VGA接口电路连接
FPGA的管脚只有高电平和低电平两种状态，因此对于每个色彩分量信号也仅有两种状态。这样3个色彩分量就可以组合出8种颜色，如表10.5所示。
表10.5 简化的VGA接口色彩对照表
|
VGA_R |
VGA_G |
VGA_B |
对应的显示颜色 |
|
0 |
0 |
0 |
黑色 |
|
0 |
0 |
1 |
绿色 |
|
0 |
1 |
0 |
蓝色 |
|
0 |
1 |
1 |
蓝绿色 |
|
1 |
0 |
0 |
红色 |
|
1 |
0 |
1 |
品红色 |
|
1 |
1 |
0 |
黄色 |
|
1 |
1 |
1 |
白色 |
VGA信号如果要正常显示，那么输出信号必须满足一定的时序关系。如图10.19所示为VGA接口电路的通用时序关系。不同的分辨率和刷新率有不同的时序如表10.6所示。
图10.19 VGA接口电路的通用时序关系
表10.6 常见分辨率的VGA时序参数表
|
显示模式 |
像素时钟 /MHz |
水平方向（以像素计算） |
垂直方向（以行计算） |
||||||
|
有效视频信号 |
同步前 |
同步信号 |
同步后 |
有效视频信号 |
同步前 |
同步信号 |
同步后 |
||
|
640×480 60Hz |
25.175 |
640 |
16 |
96 |
48 |
480 |
11 |
2 |
31 |
|
800×600 60Hz |
40.000 |
800 |
40 |
128 |
88 |
600 |
1 |
4 |
23 |
|
1024×768 60Hz |
65.000 |
1024 |
24 |
136 |
160 |
768 |
3 |
6 |
29 |
