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第二十二章RGB-LCD彩条显示实验

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，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： 2222.1简介 22.2实验任务 22.3硬件设计 22.4程序设计 22.5下载验证

22.1简介 LCD的全称是Liquid Crystal Display，即液晶显示屏，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 22.1.1 ATK-7’RGB接口液晶屏模块 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。我们现在要在新起点开发板上使用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 22.1.2所示：

图 22.1.2 像素点排布 上图就是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19201080=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25601440个像素点，4K是38402160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8bit3=24bit，也就是说一个像素点3个字节，这种像素格式称为 RGB888，共需要24位，每一位对应RGB的颜色分量如下图所示：

图 22.1.3 RGB888数据格式 当然常用的像素点格式还有RGB565，那么一个像素点就是5bit+6bit+5bit=16bit，只需要两个字节，但在色彩鲜艳度上稍微差一些。我们新起点开发板受限于FPGA IO引脚数量，因此RGB-LCD接用采用的是RGB565的像素格式，共需要16位，每一位对应RGB的颜色分量如下图所示：

图 22.1.4 RGB565数据格式 这里以RGB888格式为例，介绍不同的颜色分量。在图 22.1.3中，一个像素点占用3个字节，其中bit23bit16是RED通道，bit15bit8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’h0000FF，绿色对应的值为24’h00FF00。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 22.1.5所示：

图 22.1.5 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，新起点开发板支持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 22.1.1 RGB数据线

表 22.1.1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。 需要说明的是，正点原子的RGB LCD屏数据格式为RGB888，而新起点板载的RGB LCD接口为RGB565格式，即新起点的R4R0，对应LCD屏的R7R3；新起点的G5R0，对应LCD屏的G7R2；新起点的B4B0，对应LCD屏的B7B3； 正点原子一共有五款RGB-LCD屏幕，型号分别为ATK-4342（4.3寸，480272）、ATK-4384（4.3寸，800480）、ATK-7084（7寸，800480）、ATK-7016（7寸，1024600）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 22.1.6 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，可以连接到新起点开发板上面，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RGB-LCD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 22.1.2所示： 表 22.1.2 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 22.1.7所示：

图 22.1.7 LCD时间参数 结合图 22.1.7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 22.1.7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 22.1.7的左上角。 在图 22.1.7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 22.1.7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 22.1.7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 22.1.7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 22.1.7中的VBP。 HBP、HFP、VBP和VFP就是导致图 22.1.7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 22.1.8所示。

图 22.1.8 LCD行显示时序 图 22.1.8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 22.1.8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 22.1.9所示：

图 22.1.9 LCD帧显示时序 图 22.1.9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 22.1.9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 22.1.8和图 22.1.9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 22.1.8和图 22.1.9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 22.1.3所示： 表 22.1.3 不同分辨率的LCD时序参数

22.2实验任务 本节的实验任务是使用新起点开发板上的RGB-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。 22.3硬件设计 新起点开发板上RGB-LCD接口部分的原理图如下图所示。

图 22.3.1 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16bit，数据格式为RGB565，即R0R4表示红色，G0G5表示绿色，B0~B4表示蓝色。由于这16位数据不仅仅作为输出给LCD屏的颜色数据，同时LCD_R4、LCD_G5和LCD_B4也用来获取LCD屏的ID，因此这16位颜色数据对于新起点开发板来说，是一个双向的引脚。 另外，RGB-LCD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。 本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示： 表 22.3.1 RGB-LCD彩条实验管脚分配

对应的管脚分配约束语句如下所示： #系统时钟和复位

22.4程序设计 RGB-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 22.4.1 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 22.4.2 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16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：