【正点原子FPGA连载】第十六章RGB TFT-LCD彩条显示实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之FPGA开发指南

正点原子 · 发表于 2020-9-19 11:06:41

本帖最后由正点原子于 2020-9-19 11:07 编辑

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第十六章RGB TFT-LCD彩条显示实验

TFT-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，TFT-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：
1616.1RGB TFT-LCD简介
16.2实验任务
16.3硬件设计
16.4程序设计
16.5下载验证

16.1RGB TFT-LCD简介
TFT-LCD的全称是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，即薄膜晶体管液晶显示屏，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TFT-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 16.1.1 ATK-7’RGB接口TFT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。我们现在要在领航者开发板上使用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 16.1.2所示：

图 16.1.2 像素点排布

图 16.1.2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。我们领航者开发板上的RGB TFT-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 16.1.3 RGB888数据格式

在图 16.1.3中，一个像素点占用3个字节，其中bit23~bit16是RED通道，bit15~bit14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 16.1.4所示：

图 16.1.4 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，领航者开发板支持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 16.1.1 RGB数据线

表 16.1.1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所示：

图 16.1.5 RGB LCD液晶屏幕接口

图中J1就是对外接口，是一个40PIN的FPC座（0.5mm间距），通过FPC线，可以连接到领航者ZYNQ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。右侧的几个电阻，并不是都焊接的，而是可以用户自己选择。默认情况，R1和R6 焊接，设置LCD_LR和LCD_UD，控制LCD的扫描方向，是从左到右，从上到下（横屏看）。而LCD_R7/G7/B7 则用来设置LCD的ID，由于RGBLCD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MCU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 16.1.2所示：
表 16.1.2 RGB LCD模块和ID对应关系

ATK-7016模块，就设置M2:M0 = 010即可。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 16.1.6所示：

图 16.1.6 LCD一帧图像扫描图

结合图 16.1.6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 16.1.6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 16.1.6的左上角。
在图 16.1.6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 16.1.6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 16.1.6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 16.1.6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 16.1.6中的VBP。
HBP、HFP、VBP和VFP就是导致图 16.1.6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 16.1.7所示。

图 16.1.7 LCD行显示时序

图 16.1.7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 16.1.7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 16.1.8所示：

图 16.1.8 LCD帧显示时序

图 16.1.8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 16.1.8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 16.1.9和图 16.1.8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 16.1.10和图 16.1.8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 16.1.3所示：
表 16.1.3 不同分辨率的LCD时序参数

16.2实验任务
本节的实验任务是使用正点原子ZYNQ开发板上的RGB TFT-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。
16.3硬件设计
领航者开发板上RGB TFT-LCD接口部分的原理图如下图所示。

图 16.3.1 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ZYNQ开发板来说，是一个双向的引脚。
另外，RGBLCD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。
需要说明的是，LCD液晶屏有一个复位信号（LCD_RST），当LCD_RST为低电平时，可对LCD屏进行复位。由于受限于ZYNQ PL端IO引脚的数量，在硬件电路上，将LCD的复位信号和PL端的复位按键（PL_RESET）直连在一起，因此代码中不必对LCF_RST进行控制，而是通过开发板上的PL复位按键对LCD屏进行复位。
本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示：
表 16.3.1 RGB TFT-LCD彩条实验管脚分配

对应的XDC约束语句如下所示：

set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[1]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[2]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[3]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[4]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[5]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[6]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[7]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[8]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[9]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[10]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[11]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[12]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[13]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[14]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[15]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T10 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[16]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[17]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[18]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[19]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[20]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[21]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[22]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[23]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_hs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_vs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_de]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_bl]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_clk]

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16.4程序设计
RGB TFT-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 16.4.1 RGB TFT-LCD彩条显示系统框图

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。
各模块端口及信号连接如下图所示：

图 16.4.2 顶层模块原理图

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lcd_rgb_colorbar的代码如下：

1 module lcd_rgb_colorbar(
2 input sys_clk, //系统时钟
3 input sys_rst_n, //系统复位
4
5 //RGB LCD接口
6 output lcd_de, //LCD 数据使能信号
7 output lcd_hs, //LCD 行同步信号
8 output lcd_vs, //LCD 场同步信号
9 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号
10 output lcd_clk, //LCD 像素时钟
11 inout [23:0] lcd_rgb //LCD RGB888颜色数据
12 );
13
14 //wire define
15 wire [15:0] lcd_id ; //LCD屏ID
16 wire lcd_pclk ; //LCD像素时钟
17
18 wire [10:0] pixel_xpos; //当前像素点横坐标
19 wire [10:0] pixel_ypos; //当前像素点纵坐标
20 wire [10:0] h_disp ; //LCD屏水平分辨率
21 wire [10:0] v_disp ; //LCD屏垂直分辨率
22 wire [23:0] pixel_data; //像素数据
23 wire [23:0] lcd_rgb_o ; //输出的像素数据
24 wire [23:0] lcd_rgb_i ; //输入的像素数据
25
26 //*****************************************************
27 //** main code
28 //*****************************************************
29
30 //像素数据方向切换
31 assign lcd_rgb = lcd_de ? lcd_rgb_o : {24{1'bz}};
32 assign lcd_rgb_i = lcd_rgb;
33
34 //读LCD ID模块
35 rd_id u_rd_id(
36 .clk (sys_clk ),
37 .rst_n (sys_rst_n),
38 .lcd_rgb (lcd_rgb_i),
39 .lcd_id (lcd_id )
40 );
41
42 //时钟分频模块
43 clk_div u_clk_div(
44 .clk (sys_clk ),
45 .rst_n (sys_rst_n),
46 .lcd_id (lcd_id ),
47 .lcd_pclk (lcd_pclk )
48 );
49
50 //LCD显示模块
51 lcd_display u_lcd_display(
52 .lcd_pclk (lcd_pclk ),
53 .rst_n (sys_rst_n ),
54 .pixel_xpos (pixel_xpos),
55 .pixel_ypos (pixel_ypos),
56 .h_disp (h_disp ),
57 .v_disp (v_disp ),
58 .pixel_data (pixel_data)
59 );
60
61 //LCD驱动模块
62 lcd_driver u_lcd_driver(
63 .lcd_pclk (lcd_pclk ),
64 .rst_n (sys_rst_n ),
65 .lcd_id (lcd_id ),
66 .pixel_data (pixel_data),
67 .pixel_xpos (pixel_xpos),
68 .pixel_ypos (pixel_ypos),
69 .h_disp (h_disp ),
70 .v_disp (v_disp ),
71
72 .lcd_de (lcd_de ),
73 .lcd_hs (lcd_hs ),
74 .lcd_vs (lcd_vs ),
75 .lcd_bl (lcd_bl ),
76 .lcd_clk (lcd_clk ),
77 .lcd_rgb (lcd_rgb_o )
78 );
79
80 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31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：

1 module rd_id(
2 input clk , //时钟
3 input rst_n , //复位，低电平有效
4 input [23:0] lcd_rgb, //RGB LCD像素数据,用于读取ID
5 output reg [15:0] lcd_id //LCD屏ID
6 );
7
8 //reg define
9 reg rd_flag; //读ID标志
10
11 //*****************************************************
12 //** main code
13 //*****************************************************
14
15 //获取LCD ID M2:B7 M1:G7 M0:R7
16 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
17 if(!rst_n) begin
18 rd_flag <= 1'b0;
19 lcd_id <= 16'd0;
20 end
21 else begin
22 if(rd_flag == 1'b0) begin
23 rd_flag <= 1'b1;
24 case({lcd_rgb[7],lcd_rgb[15],lcd_rgb[23]})
25 3'b000 : lcd_id <= 16'h4342; //4.3' RGB LCD RES:480x272
26 3'b001 : lcd_id <= 16'h7084; //7' RGB LCD RES:800x480
27 3'b010 : lcd_id <= 16'h7016; //7' RGB LCD RES:1024x600
28 3'b100 : lcd_id <= 16'h4384; //4.3' RGB LCD RES:800x480
29 3'b101 : lcd_id <= 16'h1018; //10' RGB LCD RES:1280x800
30 default : lcd_id <= 16'd0;
31 endcase
32 end
33 end
34 end
35
36 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0时，获取一次ID，并将rd_flag赋值为1；而当rd_flag等于1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：

1 module clk_div(
2 input clk, //50Mhz
3 input rst_n,
4 input [15:0] lcd_id,
5 output reg lcd_pclk
6 );
7
8 reg clk_25m;
9 reg clk_12_5m;
10 reg div_4_cnt;
11
12 //时钟2分频输出25MHz时钟
13 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
14 if(!rst_n)
15 clk_25m <= 1'b0;
16 else
17 clk_25m <= ~clk_25m;
18 end
19
20 //时钟4分频输出12.5MHz时钟
21 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
22 if(!rst_n) begin
23 div_4_cnt <= 1'b0;
24 clk_12_5m <= 1'b0;
25 end
26 else begin
27 div_4_cnt <= div_4_cnt + 1'b1;
28 if(div_4_cnt == 1'b1)
29 clk_12_5m <= ~clk_12_5m;
30 end
31 end
32
33 always @(*) begin
34 case(lcd_id)
35 16'h4342 : lcd_pclk = clk_12_5m;
36 16'h7084 : lcd_pclk = clk_25m;
37 16'h7016 : lcd_pclk = clk;
38 16'h4384 : lcd_pclk = clk_25m;
39 16'h1018 : lcd_pclk = clk;
40 default : lcd_pclk = 1'b0;
41 endcase
42 end
43
44 endmodule

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分频模块根据输入的LCD ID对50Mhz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。
分频模块通过两个always语句，分别进行2分频和4分频，得到一个25Mhz的时钟和一个12.5Mhz的时钟，如代码中第12行至第31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50Mhz的时钟四分频后，得到一个12.5Mhz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，四分频的波形图如下图所示：

图 16.4.3 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_12_5m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，sys_clk的时钟频率为50Mhz，周期为20ns，因此clk_12_5m的时钟周期为80ns，时钟频率为12.5Mhz。
在代码的第33行至第42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：

1 module lcd_driver(
2 input lcd_pclk, //时钟
3 input rst_n, //复位，低电平有效
4 input [15:0] lcd_id, //LCD屏ID
5 input [23:0] pixel_data, //像素数据
6 output [10:0] pixel_xpos, //当前像素点横坐标
7 output [10:0] pixel_ypos, //当前像素点纵坐标
8 output reg [10:0] h_disp, //LCD屏水平分辨率
9 output reg [10:0] v_disp, //LCD屏垂直分辨率
10 //RGB LCD接口
11 output lcd_de, //LCD 数据使能信号
12 output lcd_hs, //LCD 行同步信号
13 output lcd_vs, //LCD 场同步信号
14 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号
15 output lcd_clk, //LCD 像素时钟
16 output [23:0] lcd_rgb //LCD RGB888颜色数据
17 );
18
19 //parameter define
20 // 4.3' 480*272
21 parameter H_SYNC_4342 = 11'd41; //行同步
22 parameter H_BACK_4342 = 11'd2; //行显示后沿
23 parameter H_DISP_4342 = 11'd480; //行有效数据
24 parameter H_FRONT_4342 = 11'd2; //行显示前沿
25 parameter H_TOTAL_4342 = 11'd525; //行扫描周期
26
27 parameter V_SYNC_4342 = 11'd10; //场同步
28 parameter V_BACK_4342 = 11'd2; //场显示后沿
29 parameter V_DISP_4342 = 11'd272; //场有效数据
30 parameter V_FRONT_4342 = 11'd2; //场显示前沿
31 parameter V_TOTAL_4342 = 11'd286; //场扫描周期
代码较长，省略部分源代码……
85 //reg define
86 reg [10:0] h_sync ;
87 reg [10:0] h_back ;
88 reg [10:0] h_total;
89 reg [10:0] v_sync ;
90 reg [10:0] v_back ;
91 reg [10:0] v_total;
92 reg [10:0] h_cnt ;
93 reg [10:0] v_cnt ;
94
95 //wire define
96 wire lcd_en;
97 wire data_req;
98
99 //*****************************************************
100 //** main code
101 //*****************************************************
102
103 //RGB LCD 采用DE模式时，行场同步信号需要拉高
104 assign lcd_hs = 1'b1; //LCD行同步信号
105 assign lcd_vs = 1'b1; //LCD场同步信号
106
107 assign lcd_bl = 1'b1; //LCD背光控制信号
108 assign lcd_clk = lcd_pclk; //LCD像素时钟
109 assign lcd_de = lcd_en; //LCD数据有效信号
110
111 //使能RGB888数据输出
112 assign lcd_en = ((h_cnt >= h_sync + h_back) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp)
113 && (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
114 ? 1'b1 : 1'b0;
115
116 //请求像素点颜色数据输入
117 assign data_req = ((h_cnt>=h_sync + h_back - 1'b1) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp -1'b1)
118 && (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
119 ? 1'b1 : 1'b0;
120
121 //像素点坐标
122 assign pixel_xpos = data_req ? (h_cnt - (h_sync + h_back - 1'b1)) : 11'd0;
123 assign pixel_ypos = data_req ? (v_cnt - (v_sync + v_back - 1'b1)) : 11'd0;
124
125 //RGB888数据输出
126 assign lcd_rgb = lcd_en ? pixel_data : 24'd0;
127
128 //行场时序参数
129 always @(*) begin
130 case(lcd_id)
131 16'h4342 : begin
132 h_sync = H_SYNC_4342;
133 h_back = H_BACK_4342;
134 h_disp = H_DISP_4342;
135 h_total = H_TOTAL_4342;
136 v_sync = V_SYNC_4342;
137 v_back = V_BACK_4342;
138 v_disp = V_DISP_4342;
139 v_total = V_TOTAL_4342;
140 end
代码较长，省略部分源代码……
191 endcase
192 end
193
194 //行计数器对像素时钟计数
195 always@ (posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
196 if(!rst_n)
197 h_cnt <= 11'd0;
198 else begin
199 if(h_cnt == h_total - 1'b1)
200 h_cnt <= 11'd0;
201 else
202 h_cnt <= h_cnt + 1'b1;
203 end
204 end
205
206 //场计数器对行计数
207 always@ (posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
208 if(!rst_n)
209 v_cnt <= 11'd0;
210 else begin
211 if(h_cnt == h_total - 1'b1) begin
212 if(v_cnt == v_total - 1'b1)
213 v_cnt <= 11'd0;
214 else
215 v_cnt <= v_cnt + 1'b1;
216 end
217 end
218 end
219
220 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20行至第83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 16.1.3。程序第128至192行则根据LCD屏的ID选择不同的时序参数。
程序第103至109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。这里我们对lcd_bl作简单处理，将其直接赋值为1，此时液晶屏亮度最高。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194至204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206至218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111~114行和第126行）。程序第116至123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：

1 module lcd_display(
2 input lcd_pclk, //时钟
3 input rst_n, //复位，低电平有效
4 input [10:0] pixel_xpos, //当前像素点横坐标
5 input [10:0] pixel_ypos, //当前像素点纵坐标
6 input [10:0] h_disp, //LCD屏水平分辨率
7 input [10:0] v_disp, //LCD屏垂直分辨率
8 output reg [23:0] pixel_data //像素数据
9 );
10
11 //parameter define
12 parameter WHITE = 24'hFFFFFF; //白色
13 parameter BLACK = 24'h000000; //黑色
14 parameter RED = 24'hFF0000; //红色
15 parameter GREEN = 24'h00FF00; //绿色
16 parameter BLUE = 24'h0000FF; //蓝色
17
18 //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
19 always @(posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
20 if(!rst_n)
21 pixel_data <= BLACK;
22 else begin
23 if((pixel_xpos >= 11'd0) && (pixel_xpos < h_disp/5*1))
24 pixel_data <= WHITE;
25 else if((pixel_xpos >= h_disp/5*1) && (pixel_xpos < h_disp/5*2))
26 pixel_data <= BLACK;
27 else if((pixel_xpos >= h_disp/5*2) && (pixel_xpos < h_disp/5*3))
28 pixel_data <= RED;
29 else if((pixel_xpos >= h_disp/5*3) && (pixel_xpos < h_disp/5*4))
30 pixel_data <= GREEN;
31 else
32 pixel_data <= BLUE;
33 end
34 end
35
36 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 TFT-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。

图 16.4.4 仿真波形图

16.5下载验证
首先将FPC排线一端与RGB LCD模块上的J1接口连接，另一端与领航者开发板上的RGB TFTLCD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 16.5.1和图 16.5.2所示。

图 16.5.1 正点原子RGBLCD模块FPC连接器

图 16.5.2 领航者开发板连接RGB LCD液晶屏

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 TFT-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 TFT-LCD彩条显示程序下载验证成功。

图 16.5.3 RGB TFT-LCD彩条显示

【正点原子FPGA连载】第十六章RGB TFT-LCD彩条显示实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之FPGA开发指南

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