基于FPGA的LCD控制器设计
第1章 绪论
1.1 选题的背景与意义
液晶，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。一般可分热致液晶和溶致液晶两类。在显示应用领域，使用的是热致液晶，超出一定温度范围，热致液晶就不再呈现液晶态，温度低了，出现结晶现象，温度升高了，就变成液体；液晶显示器件所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向异性而具有的电光效应，尤其扭曲向列效应和超扭曲效应，所以能制成不同类型的显示器件(Liquid Crystal Display 简称LCD)。
在平板显示器件领域，目前应用较广泛的有液晶(LCD)、电致发光显示(EL)、等离子体(PDP)、发光二极管(LED)、低压荧光显示器件(VFD)等。
液晶显示器件有以下一些特点 ①低压微功耗，②平板型结构，③被动显示型（无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳），④显示信息量大（因为像素可以做得很小），⑤易于彩色化（在色谱上可以非常准确的复现），⑥无电磁辐射（对人体安全，利于信息保密），⑦长寿命（这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长，但是液晶背光寿命有限，不过背光部分可以更换）。
之前，一般流行采用单片机来控制驱动LCD。采用单片机控制LCD的显示在设计上相对比较简单。可以通过KEIL等软件的编写方便地控制LCD的图形以及字符的现实。但是由于单片机的顺序执行结构。决定了在现实图片或者字符的同时，单片机本身无法处理其他数据或者执行其他的运算命令。这在某种程度上大大地降低了工作的效率。而采用FPGA来控制LCD则不存在这个问题。但是由于FPGA不像单片机，可以直接使用控制语句来方便地控制LCD。因此需要编写大量的代码来控制LCD。因为这个原因，采用FPGA的设计一般都会再一次通过单片机来驱动LCD的显示。
本课题主要任务是设计基于FPGA的LCD控制器，兼顾好程序的易用性，以方便之后模块的移植和应用。最后在FPGA上的任意位置显示任意的16*16D的中文字符以及16*8的英文字符，另外要能根据输入数据的变化同步变化LCD上显示的内容。同时要能将储存模块中的图片数据正常地显示在LCD上。该课题的研究将有助于采用FPGA的系列产品的开发，特别是需要用到LCD得采用FPGA的产品的开发。同时可以大大缩短FPGA的开发时间。另外，由于模块的易用性，也将使得更多的采用FPGA的产品之上出现LCD，增加人机之间的交互性，为行业和我们的生活带来新的变化。
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1.2 LCD的控制，应用和市场的发展现状
在技术方面，因集成式的控制芯片具有包括了缩小了IC的体积、低功率消耗、降低封装的成本、节省电路板的数量及体积等优点，并使材料成本及LCD后段组装成本得以降低，因此许多厂商纷纷朝向高集成度控制芯片发展，并积极开发视讯应用的控制芯片。而最新趋势Smart Panel，在制程上则有简化流程、减少材料成本等优点。根据相关资料显示，Smart Panel可降低约10%~15%的成本，这也是国外一些大厂所钟爱的方式。
为降低控制IC 成本，众多IC厂商纷纷推出集成式的单芯片控制IC。美国的Genesis最早推出集成式IC，将ADC、Scaler、OSD （内置菜单）与PLL(锁相环)为一颗单芯片控制IC。接着更进一步集成入DVI 组件，形成LCD 双模控制IC。其组件集成数量持续增多，并渐渐添加Video 的功能。当前Genesis 最高集成度的产品，集成入的组件已经包括ADC、Scaler、PLL、OSD、TCON 与DVI，仅剩Video 的功能以及SDRAM 的组件尚未集成。
随着市场竞争的加剧，液晶显示器厂商的成本压力越来越大，必须采用更简单的线路设计实现液晶显示器的功能，以期降低成本，才能在市场竞争中立于不败之地。 LCD控制IC必将向高集成度方向发展，以满足市场需要。
而在LCD的应用以及市场方面，虽然手机仍然是中小尺寸液晶显示屏(LCD)的最主要应用设备，但便携导航设备(PND)、数码相框和MP3/便携媒体播放器(PMP)等新型设备，正在该市场的销售额中占有越来越大的份额。由于这些产品所使用的显示屏大于手机所用的显示屏，因此在供应商的工厂中同样需要更多的面板，这对于LCD面板生产商来说是个绝好的机会。
各种中小尺寸LCD的产能扩张和价格下降，促进了其应用领域的多元化。这又进一步刺激了需求，并吸引许多其它产品来采用中小型LCD，如白色家电和零售标牌。
大多数行业内的公司认为，为了利用手机市场和新兴产品，中小尺寸显示屏供应商必须相应地平衡和调整策略，否则就可能错失整个市场。
导航设备
PND的主要功能是显示GPS信息，因此能否显示详细并准确地图影像非常关键。这使得许多PND制造商把目光转向了更加精确的小型LCD。
这方面出现的需求促使iSuppli公司把2011年PND显示屏市场的出货量预测提高到了6,050万部。2006年的出货量为1,080万部，2006-2011年出货量的年复合增长率是41.3%。iSuppli以前预测2011年出货量是5,400万部。
尽管中小尺寸LCD价格下降，但2011年PND显示屏的营业额将从2006年的3.24亿美元上升
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到7.76亿美元，年复合增长率为19.1%。2007年一年，PND显示屏销售额将比2006年的3.24亿美元增长近一倍，达到6.35亿美元。
媒体播放器
但PND不是推动中小尺寸显示屏市场繁荣的唯一消费电子产品。MP3/PMP目前是使此类显示屏出货量增长最快的领域之一。
iSuppli公司预测，2011年底MP3/PMP单位出货量将达到2.05亿，而2007年预计为1.63亿。这相当于2011年显示屏销售额将达到16亿美元，略低于2007年的17亿美元，这主要是因为中小型LCD价格随着产能扩张和制造工艺改进而不断下降。
推动显示屏单位出货量增长的因素包括：
①消费电子公司苹果和它的iPod产品线，以及距苹果最近的竞争对手紧追不舍，从而推动MP3/PMP市场整体增长。
②MP3音乐播放器变身进入了PMP领域。有源矩阵LCD供应商正在紧盯这个市场，以防止AMOLED供应商染指。
③因为PMP是消费电子产业中增长最快的领域之一，而且随着更多的产品涌现，将需要更多的LCD来满足需求。
数码相框和便携DVD播放器等其它应用每年需要的显示屏越来越多。这些应用需要较大的显示屏(约7.0英寸)，因此它们的需求增长可能对产能分配和供需平衡造成较大的影响。
1.3 课题的主要研究内容和重点、难点 1.3.1 本课题主要研究内容和重点
本课题的主要内容是基于FPGA的LCD控制器的设计研究，并兼顾程序的易用性以方便以后模块的移植。该课题设计到FPGA得应用，LCD驱动的研究，字符以及图像显示模式的研究等知识。并利用QUARTUS II 实现相关模块的设计，在FPGA上实现对LCD的控制，显示任意中文，英文和图像。
1.3.2 本课题的主要难点：
1. 12864-12的液晶模块指令集较为复杂，采用FPGA设计需要定义的变量和状态将会很多；
2. 中英文字符的显示部分程序要考虑到程序的易用性，方便将来移植后的使用； 3. 图形显示部分，由于12864-12内部图形显示GDRAM的地址寻址方式的独特性，并不是
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始终从0到15循环，而是随着行数的增加会做一个移位。同时LCD屏幕上的点阵也被拆分为上下两个半屏，分别对应Y地址的0-8和9-15这导致了取模后的图形所对应的数组，如若按普通方法则不能正常显示。
1.4 课题研究预期目标
本课题研究预期目标主要包括采用FPGA控制LCD在任意位置显示任意中文以及英文字符，和在LCD上显示储存模块中的图像数据。
1.4.1 课题研究预期理论目标
1. 掌握FPGA对LCD的控制方法，为课题研究做好理论准备；
2. 通过FPGA对LCD的控制，使得任何开发者都可以较为容易地通过此显示控制模块，在液晶上显示所需的内容。；
3.算法实现：对于12864-12的特殊图形RAM对应LCD的显示方式，采用特定算法，使得取模后的图像所对应的数组，无需经过处理便可以通过FPGA (Filed-Programmable Gate Array)在LCD上显示。
1.4.2 课题研究预期技术目标 1. 中文字符在LCD上的正常显示； 2. 英文字符在LCD上的正常显示；
3. 输入变动的数据能在LCD上的同步刷新显示； 4. 图像数据在LCD上的正常显示；
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第2章 现代LCD技术
2.1 现代LCD技术简介
在七十年代初液晶开始作为一种显示媒体使用以来，液晶的应用范围被逐渐拓宽，到目前已涉及游戏机，手机/电话机，电视，笔记本电脑/掌上电脑，DC/DV以及液晶显示器等领域。
在1984年，欧美提出了STN-LCD，而同时TFT-LCD技术也被提出，但仍不成熟，在80年代末，日本掌握了STN-LCD的生产技术，在93年，日本又掌握了TFT-LCD生产技术，液晶显示器开始向廉价低成本的方向发展，随后DSTN-LCD诞生；另一方面向高端的薄膜式晶体管TFT-LCD发展，97年，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代TFT-LCD生产线。在此期间，韩国和我国台湾开始介入液晶显示器生产领域，我国内地企业也引进生产线，生产TN-LCD，东亚地区逐渐发展成为世界液晶显示器的主要生产地，第三代半及第四代TFT-LCD生产线开始建立，日本，韩国和中国（含台湾省）在液晶显示器生产及技术上开始走在世界最前列。
大家知道，液晶是一种具有规则性分子排列的有机化合物，它即不是固体也不是液体，它是介于固态和液态之间的物质，把它加热时它会呈现透明的液体状态，把它冷却时它则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：粘土状的Smectic液晶，细柱形的Nematic液晶和软胶胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性各不相同，而第二类的细柱形的Nematic液晶最适于用来制造液晶显示器。
按物理结构常见的液晶显示器可分为以下几种：
表2.1 常见液晶显示器
大家从上面就可看出TN、STN、DSTN三种液晶都属于无源矩阵LCD，它们的原理基本相同，不同之处只是各个液晶分子的扭曲角度略有差异而已，其中DSTN（俗称“伪彩”）在早期的笔记本电脑显示器及掌上游戏机上广为应用，但由于其必须借用外界光源来显像所以其有很大的应用局限性，但这些早期的反射型单色或彩色没有背光设计的LCD可以做得更薄、更轻和更省电，如果能在技术上对其进行革新这些东东对于掌上型电脑和游戏机来说还是非常有用的。而STN超扭曲向列型无源矩阵LCD则是我们今天小型液晶显示器上应用的主流，它具有屏幕反应速度快，对比度好，亮度高，可视角度大等优点。
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