基于TMS320VC5402與FPGA的液晶模塊接口電路設(shè)計(jì)

1、湖 北 民 族 學(xué) 院信息工程學(xué)院DSP課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題目: 基于TMS320VC5402與FPGA的液晶模塊接口電路設(shè)計(jì)專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 0308408 學(xué) 號(hào)： 030840815 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2011 年 4 月 20 日信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 號(hào)030840815學(xué)生姓名專業(yè)（班級(jí)）電氣工程及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目 基于TMS320VC5402與FPGA的液晶模塊接口電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)VC5402采用雙電源供電，工作電壓一般為3V和1.8V，1.8V主要為內(nèi)部邏輯提供電壓。外部接口引腳仍然采用3.3V電壓。設(shè)計(jì)要求（1） 繪制系統(tǒng)框圖，采用C5402

2、+FPGA方案；（2） 包括電源設(shè)計(jì)，復(fù)位電路設(shè)計(jì)，時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)，JTAG接口設(shè)計(jì)等，用Protel軟件繪制原來(lái)的圖和PCB圖；（3） 實(shí)現(xiàn)DSP與PC通信，DSP與FPGA通信；（4） 給出程序流程圖，編寫(xiě)部分程序；（5） 參考文獻(xiàn)，論文格式規(guī)范。工作量要求：字?jǐn)?shù)在50008000范圍內(nèi)；字?jǐn)?shù)5737字圖紙12張注：可填寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的字?jǐn)?shù)要求或要完成的圖紙數(shù)量。工作計(jì)劃第八周收集資料；第九周著手論文；第十周畫(huà)圖并整理。參考資料1康華光，陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052皮文兵. 一種寬輸入范圍的Gillbert模擬乘法器設(shè)計(jì)J. 電子設(shè)

3、計(jì)應(yīng)用.2007.13（1）：88-903 焦春生.新型綠色能效D類音頻放大器設(shè)計(jì)應(yīng)用EB/OL.4數(shù)字信號(hào)處理原理與實(shí)踐，清華大學(xué)出版社，2006.3第1版指導(dǎo)教師簽字 2011年 4 月 20 日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 030840815專業(yè)（班級(jí)）： 電氣工程（0308408） 課程設(shè)計(jì)題目：基于TMS320VC5402與FPGA的液晶模塊接口電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日基于TMS320VC5402與FPGA的液晶模塊接口電路設(shè)計(jì)摘要：在小規(guī)模圖形液晶顯示模塊上使用液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器組成液晶顯示驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，是當(dāng)今低成本，低功耗，高

4、集成化設(shè)計(jì)的最好選擇，SED1520是當(dāng)前最常用的一種液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器，這類圖形液晶顯示模塊的規(guī)模為32行，本文用到的液晶顯示模塊CM12232即是內(nèi)置SED1520的液晶顯示模塊，該模塊的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由兩片SED1520組成。關(guān)鍵詞： 高速處理器；串口通信；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 ABSTRACT: In small graphics LCD module for use on liquid crystal display drive controller to compose LCD drive and control system, is the low cost, low power co

5、nsumption, high integration design, the best choice SED1520 is now the most commonly used one kind of liquid crystal display drive controller, this kind of graphics LCD module scale for 32 line, this paper used LCD module CM12232 namely is built-in SED1520 liquid crystal display (LCD) module, this m

6、odule driver control system composed of two SED1520.Keywords: high speed processors; Serial interface communication; Field programmable gates array目 錄1 任務(wù)提出與方案論證21.1 TAM320VC5402簡(jiǎn)介21.2 FPGA簡(jiǎn)介32 總體設(shè)計(jì)42.1 FPGA的設(shè)計(jì)方法42.2 VHDL硬件描述語(yǔ)言43 詳細(xì)設(shè)計(jì)63.1硬件設(shè)計(jì)73.2軟件設(shè)計(jì)94 總結(jié)11參考文獻(xiàn)121 任務(wù)提出與方案論證（1） 基本內(nèi)容：應(yīng)用VHDL語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)

7、，下載打牌ALTERA公司的Cyclone系列的EP1C3芯片上調(diào)試通過(guò)，使其能驅(qū)動(dòng)和控制LCD12864，可顯示4行8列中文字符或4行16列的英文字符。（2） 技術(shù)方案：1. 以ALTERA中Cyclone系列的EP1C3芯片作為硬件平臺(tái)2. QUARTUS作為開(kāi)發(fā)軟件3. VHDL作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。本方案采用的FPGA為Alter公司的EP1C3芯片，它可提供系統(tǒng)的時(shí)鐘及讀寫(xiě)控制，驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)串口和上位機(jī)進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)紽PGA的片上ROM中，傳輸結(jié)束后FPGA上的液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)始工作，控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)及地址，并將由片上ROM讀出的像素點(diǎn)的值送LCD顯示器顯示。1.1

8、 TMS320VC5402簡(jiǎn)介T(mén)MS320VC5402（以下簡(jiǎn)稱5402）是美國(guó)TI公司的性價(jià)比極高的16bit定點(diǎn)DSP芯片，操作速度可以達(dá)到100MIPS，其內(nèi)部資源配置為用戶構(gòu)造系統(tǒng)提供了很大的便利。其主要特點(diǎn)如下：（a） 多總線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)3套16bit數(shù)據(jù)總線CB、DB、EB和1套程序總線PB以及對(duì)應(yīng)的4套地址總線CBA、DBA、EBA、PBA（4套總線可以同時(shí)操作）。（b） 40bitALU（算術(shù)邏輯單元），包含40個(gè)bit桶形移位器和2個(gè)40bit累加器；一個(gè)17×17bit乘法器和一個(gè)40bit專用加法器；2個(gè)地址產(chǎn)生器，8個(gè)輔助寄存器，一個(gè)比較/選擇/存儲(chǔ)（CSSU）

9、單元。（c） 片內(nèi)4K×16bitROM,16K×16bitDARAN。（d） 程序空間擴(kuò)展到1MB，數(shù)據(jù)和I/O空間各64KB，20條地址線，16條數(shù)據(jù)線。（e） 6級(jí)流水線完成一條指令：預(yù)讀取、取指、譯碼、訪問(wèn)、讀數(shù)、執(zhí)行。（f） 片上JTAG仿真接口。1.2 FPGA簡(jiǎn)介FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FP

10、GA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：1） 采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就猛得到合用的芯片。2） FPGA可做其他全制定或半制定ASIC電路的中試樣片。3） FPGA的內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。4） FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的期間之一。5） DPFA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。2 總體設(shè)計(jì)2.1 FPGA的設(shè)計(jì)方法FPGA的常用設(shè)計(jì)方法包括“自頂而下”和“自下而上

11、”。目前大規(guī)模FPGA設(shè)計(jì)一般選擇“自定而下”的設(shè)計(jì)方法。所謂“自定而下”設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是采用可以完全獨(dú)立于芯片廠商及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的描述語(yǔ)言，在功能級(jí)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行定義，并結(jié)合功能仿真技術(shù)，以確保設(shè)計(jì)的正確性，在功能定義完成后，利用邏輯綜合技術(shù)，把功能描述轉(zhuǎn)換成某一具體結(jié)果芯片的網(wǎng)表文件，輸出給廠家的布局布線器進(jìn)行布局布線。布局布線結(jié)果還可以反標(biāo)回同一仿真器進(jìn)行包括功能和時(shí)序的后驗(yàn)證，以確保布局布線所帶來(lái)的門(mén)延時(shí)和線延時(shí)不會(huì)影響設(shè)計(jì)性能，“自定而下”設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的。首先，由于功能描述可以完全獨(dú)立于芯片結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的最初階段，設(shè)計(jì)師可不接受芯片結(jié)構(gòu)的約束，集中精力進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)

12、，進(jìn)而避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所帶來(lái)的重新再設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，大大的縮短了設(shè)計(jì)周期。其次，設(shè)計(jì)的再利用得到保證。目前的電子產(chǎn)品正想模塊化方向發(fā)展。所謂模塊化就是對(duì)以往設(shè)計(jì)成果進(jìn)行修改、組合和再利用，產(chǎn)生全新的或派生設(shè)計(jì)。而“自頂向下”設(shè)計(jì)方法的功能描述可與芯片結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。因此，可以以一種IP的方式進(jìn)行存檔，以便將來(lái)重新利用。第三，設(shè)計(jì)規(guī)模大大提高。簡(jiǎn)單的語(yǔ)言描述即可完成復(fù)雜的功能嗎，而不需要手工繪圖。第四，芯片選擇更加靈活。設(shè)計(jì)師可在較短的時(shí)間內(nèi)采用各種結(jié)構(gòu)芯片來(lái)完成同一功能描述，從而在設(shè)計(jì)規(guī)模、速度、芯片價(jià)格及系統(tǒng)性能要求等方面進(jìn)行平衡，選擇最佳結(jié)果。目前最為常用的功能描述方法是采用均已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的兩種硬

13、件描述語(yǔ)言VHDL和Verilog HDL。2.2 VHDL硬件描述語(yǔ)言VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。出了含有許多具有硬件特征的語(yǔ)句外，VHDL的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算及高級(jí)語(yǔ)言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體分成外部和內(nèi)部，既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部潔面后，一旦其內(nèi)部開(kāi)發(fā)完成后，其他設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外不分的概念是VHDL系統(tǒng)的基本點(diǎn)。應(yīng)用VHDL進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是多方面的。1. 與其他的硬件描述語(yǔ)言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了他成為系

14、統(tǒng)設(shè)計(jì)域最佳的硬件描述語(yǔ)言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開(kāi)具體器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。2. VHDL豐富的仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。3. CHDL語(yǔ)言的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有的合計(jì)的在利用功能。符合市場(chǎng)需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，高速的完成必須有多人甚至多個(gè)代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。4. 對(duì)于用VHDL完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì)，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動(dòng)的把VHDL描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門(mén)級(jí)網(wǎng)表。5. VHDL對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不動(dòng)硬

15、件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。3 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)本方案采用的FPGA為Alter公司的ACEX1K30芯片，它可提供系統(tǒng)的時(shí)鐘及讀寫(xiě)控制，ACEX系列的FPGA由邏輯陣列塊LAB、嵌入式陣列塊EAB、快速互聯(lián)以及IO單元組成，每個(gè)邏輯陣列塊包含8個(gè)邏輯單元LE和一個(gè)局部互聯(lián)。每個(gè)邏輯單元?jiǎng)t由一個(gè)4輸入查找表（LUT）、一個(gè)可編程觸發(fā)器、快速進(jìn)位鏈、綴連鏈組成，多個(gè)LAB和多個(gè)EAB則可通過(guò)快速通道互相連接。EAB是ACEX系列器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一個(gè)重要部件，他是輸入端口和輸出端口都帶有觸發(fā)器的喲中靈活的RAM塊，其主要功能是實(shí)現(xiàn)一些規(guī)模不太大的F

16、IFO、ROM和雙端口RAM等。在本液晶顯示接口電路中，EAB主要用宏功能模塊實(shí)現(xiàn)上ROM。他通過(guò)調(diào)用FPGA上的EAB資源來(lái)實(shí)現(xiàn)漢子的現(xiàn)實(shí)和字符的存儲(chǔ)，并根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生的地址從ROM中讀取字符值然后送LCD顯示器進(jìn)行顯示。由于所用的圖形點(diǎn)陣液晶塊內(nèi)置有SED1520控制器，所以，其電路特性實(shí)質(zhì)上就是SED1520的電路特性。SED1520的主要特性如下：1） 具有液晶顯示行驅(qū)動(dòng)器，具有16路行驅(qū)動(dòng)輸出，并可級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)32行驅(qū)動(dòng)。2） 具有液晶顯示列驅(qū)動(dòng)器，共有61路列驅(qū)動(dòng)器輸出。3） 內(nèi)置時(shí)序發(fā)生器，其占空比可設(shè)置為1/16和1/32兩種。4） 內(nèi)藏顯示存儲(chǔ)器，顯示存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)可直接顯示，

17、“1”為顯示，“0”為不顯示。5） 接口總線時(shí)序可適配8080系列或M6800系列，并可直接與計(jì)算機(jī)接口。6） 操作簡(jiǎn)單，有13條控制指令。7） 采用CMOS工藝，可在電壓低至2.4-7.0V時(shí)正常工作，功耗僅30uW。本設(shè)計(jì)所用的字符液晶模塊CM12232由兩塊SED1520級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)，其中一個(gè)工作在主工作方式下，另一個(gè)工作在從方式下，主工作方式SED1520負(fù)責(zé)上半屏16行的驅(qū)動(dòng)和左半屏的61列驅(qū)動(dòng)，從工作方式的SED1520則負(fù)責(zé)下半屏16行的驅(qū)動(dòng)和右半屏的61列驅(qū)動(dòng)，是能信號(hào)E1、E2用來(lái)區(qū)分具體控制的是哪一片SED1520，其系統(tǒng)的硬件連接圖如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，該系統(tǒng)的硬件部分連接

18、十分簡(jiǎn)單，其中FPGA部分沒(méi)畫(huà)出，而液晶與FPGA的接口則可直接以網(wǎng)表的形式給出，將它們直接與FPGA的普通I/O引腳相連即可。3.1.1 電源VC5402采用雙電源供電，以獲得更好的電源性能，工作電壓為3.3V和1.8V。其中，1.8V主要為該器件內(nèi)部邏輯提供電壓，包括CPU和其他所有的外設(shè)邏輯，與3.3V供電相比，1.8V供電可以大大降低功耗。外部接口引腳仍然采用3.3V電壓，便于直接與外部低電壓器件連接，應(yīng)該注意電壓的轉(zhuǎn)換，在本設(shè)計(jì)中跟外部5V電壓的TTL的器件正常連接，而無(wú)需額外的電平轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)89C52采用的是5V電源供電，不影響其于VC5402的連接以及數(shù)據(jù)交換。VC5402

19、由于有兩個(gè)電源，需要考慮內(nèi)部電源的上電次序，在理想情況下，DSP芯片上的電源同時(shí)加電，單基本上很難實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，因此應(yīng)先對(duì)外部接口加上3.3V的電源，然后加1.8V的內(nèi)核電源。為了能夠讓電源設(shè)計(jì)方便TI公司也生產(chǎn)為方便DSP設(shè)計(jì)的電源芯片。TI公司生產(chǎn)的TPS73xx系列芯片是滿足DSP而設(shè)計(jì)的，電源輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓可調(diào)等特性。如TPS73HD301、TPS73HD325、TPS73HD318以及TPS73HD318等。3.1.2 時(shí)鐘電路時(shí)鐘是一個(gè)系統(tǒng)的核心，時(shí)鐘信號(hào)的好壞直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，VC5402提供了內(nèi)部 和外部?jī)煞N方式的時(shí)鐘發(fā)生模式。芯片的主頻為100MHz，如果直接用外頻

20、輸入，使得外部頻率很高，電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較困難。使用內(nèi)部PLL，外部時(shí)鐘頻率只需10-20MHz，設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，只需在時(shí)鐘引腳x1和x2？CLKIN連接一個(gè)無(wú)源晶振，如圖3所示。對(duì)于晶振的大小沒(méi)有特別要求，DSP有一組引腳CLKMD1-CLKMD3可以用來(lái)調(diào)整工作頻率的高低。3.1.3 復(fù)位電路復(fù)位電路對(duì)微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須的，復(fù)位電路也非常簡(jiǎn)單，需要上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位以及自動(dòng)復(fù)位三部分。系統(tǒng)中單片機(jī)和DSP都需要連接復(fù)位電路，復(fù)位就是讓微處理器上電后保持2個(gè)CLOKOUT時(shí)間周期以上的低電平，是系統(tǒng)內(nèi)部的寄存器初始化。自動(dòng)復(fù)位電路在電源部分給予提供，圖4簡(jiǎn)單提供上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的實(shí)現(xiàn)。3

21、.1.4 軟件譯碼電路5402對(duì)外部接口的控制信號(hào)有限，有要同時(shí)完成對(duì)A/D、D/A、EPROM的控制，最有效的辦法是加入譯碼電路。本系統(tǒng)采用通用的328譯碼器74LS138，使用5402的高位地址線A13、A14、A15作為譯碼輸入，IS和IOSTRB作為譯碼使能端輸入。3.2 軟件設(shè)計(jì) 具體實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是如何從存放有字符的ROM塊中讀出數(shù)據(jù)，并按照液晶的時(shí)序正確的寫(xiě)入，在介紹具體實(shí)現(xiàn)方法前，首先要熟悉SED1520的指令。SED1520的幾種主要的控制指令格式如下：（1）復(fù)位格式（reset） 該指令用于實(shí)現(xiàn)SED1520的軟件復(fù)位。該指令執(zhí)行時(shí)，顯示起始行寄存器清零，接著列地址指令指針清零

22、，之后頁(yè)地址寄存器置為“3”。（2）休閑狀態(tài)設(shè)置（statis drive ONOFF） 該指令是休閑狀態(tài)的軟件開(kāi)關(guān)，當(dāng)S=1時(shí)，SED1520進(jìn)入休閑狀態(tài)；當(dāng)S=0時(shí)，SED1520將終止或退出休閑狀態(tài)。（3） 占空比設(shè)置（slect duty）該指令用于設(shè)置SED1520的占空比，Du=0時(shí)為1/16占空比，Du=1時(shí)為1/32占空比。（4） ADC選擇指令（selec ADC）該指令用于設(shè)置顯示存儲(chǔ)器中單元的地址所對(duì)應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)輸出的順序。A=0時(shí)，順時(shí)針顯示；A=1時(shí)，逆時(shí)針顯示。（5） 顯示起始行設(shè)置（display start line）該指令可用于設(shè)置顯示屏上第一行所對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器的行號(hào)，由此行順序下延可得到對(duì)應(yīng)顯示屏上的顯示效果，L=0-31（1FH），對(duì)應(yīng)表示存儲(chǔ)器的第1-32行。（6） 顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置該指令控制著顯示驅(qū)動(dòng)器的輸出。當(dāng)Di=0時(shí)，顯示關(guān)，當(dāng)Di=1時(shí)，顯示開(kāi)。（7） 頁(yè)面顯示儲(chǔ)存的設(shè)置SED1520將顯示存儲(chǔ)器分為4個(gè)頁(yè)面（0-3頁(yè)）。每個(gè)頁(yè)面都有80個(gè)字節(jié)。頁(yè)面管理可由2位頁(yè)地址寄存