[每周FPGA案例] LCD显示叠加图片

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1.1 总体设计

1.1.1 概述

液晶显示器是一-种通过液晶和色彩过滤器过滤光源，在平面面板上产生图像的数字显示器。LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置薄膜晶体管,.上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过薄膜晶体管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。与传统的阴极射线管相比，LCD具有占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳等优点。现在LCD已渐替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分的普及。

1.1.2 设计目标
在7寸LCD显示屏上实现图片显示。

其中，在显示屏左上角显示明德扬的LOGO图标，在显示屏的中间居中显示字母“E”。

1.1.3 系统结构框图
系统结构框图如下所示：

图一
1.1.4模块功能
PLL模块实现功能
1.    将输入的50MHz时钟分频输出40MHz时钟。

ROM模块实现功能
1.      FPGA_rom存储明德扬LOGO的图像数据；

2.    e_rom存储字母“E”的图像数据。

LCD驱动模块实现功能
1、  产生驱动LCD屏显示的时序

2、  读取ROM里存储的数据并输出显示

1.1.5顶层信号


信号名


I/O

位宽

定义

clk

I

1

系统工作时钟 50M

rst_n

I

1

系统复位信号，低电平有效

hys

O

1

LCD 行时序信号

vys

O

1

LCD 场时序信号

lcd_de

O

1

LCD 数据输入使能信号

lcd_rgb

O

24

LCD RGB信号，RGB格式为使用24位来表示一个像素，RGB分量都用8位表示，取值范围为0-255。

lcd_dclk

O

1

LCD 数据采样时钟

1.1.6参考代码

module top_mdyLcdPicOverlay(
clk ,
rst_n ,
hys ,
vys ,
lcd_de ,
lcd_rgb ,
lcd_dclk
);
parameter PICTURE_W = 24 ;
input clk ;
input rst_n ;
output hys ;
output vys ;
output lcd_de ;
output [PICTURE_W-1:0] lcd_rgb ;
output lcd_dclk ;
wire clk_0 ;
wire hys ;
wire vys ;
wire lcd_de ;
wire [PICTURE_W-1:0] lcd_rgb ;
wire lcd_dclk ;
//40MHz
pll_40m u_pll_40m(
.areset (~rst_n ),
.inclk0 (clk ),
.c0 (clk_0 )
);
lcd_driver u2(
.clk (clk_0 ),//40MHz
.rst_n (rst_n ),
.hys (hys ),
.vys (vys ),
.lcd_de (lcd_de ),
.lcd_rgb (lcd_rgb ),
.lcd_dclk (lcd_dclk )
);
endmodule

复制代码

1.2 PLL模块设计

1.2.1接口信号
下面为PLL的接口信号：


信号名


I/O

位宽

定义

areset

I

1

PLL复位信号，高电平有效

inclk0

I

1

PLL输入时钟 50MHz

c0

O

1

PLL输出时钟 40MHz

1.2.2 设计思路
本模块主要用于产生LCD驱动时序所需要的时钟，关于PLL的使用详细介绍请看下方链接：

http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=322&fromuid=100105

1.3 ROM模块设计
1.3.1接口信号


信号名


I/O

位宽

定义

address

I

16

ROM数据存放地址

clock

I

1

ROM工作时钟40MHz

q

O

8

ROM输出数据

1.3.2设计思路
本模块主要用于存储需要显示的图像数据，关于ROM的使用详细介绍请查看IP核右上角数据手册“Documentation”。

1.4 LCD驱动模块设计
1.4.1接口信号


信号名


I/O

位宽

定义

clk

I

1

模块工作时钟 40MHz

rst_n

I

1

系统复位信号，低电平有效

hys

O

1

LCD 行时序信号

vys

O

1

LCD 场时序信号

lcd_de

O

1

LCD 数据输入使能信号

lcd_rgb

O

24

LCD RGB信号，RGB格式为使用24位来表示一个像素，RGB分量都用8位表示，取值范围为0-255。

lcd_dclk

O

1

LCD 数据采样时钟

1.4.2设计思路
产生驱动LCD显示的行场时序信号，其计数器架构如下图所示：

行计数器h_cnt：该计数器用来计算行同步信号的帧长。加一条件为1，表示一直在计数。结束条件为数1056个，也就是一行有1056个像素。

场计数器v_cnt：该计数器用来计算场同步信号的帧长。加一条件为end_h_cnt，即行计数器的计数器的结束条件，表示每计数完一行像素就加一。结束条件为数525个，也就是一共有525行像素。

其中，在从存储图像“E”的ROM里读取数据的时候，有一个操作就是读取的地址从第8位开始，也就是说18位数据地址，低三位不读，读取的是e_rom_addr[16:3]。有这样一个操作的话就能实现对存储的图像进行8倍的放大显示。

1.4.3参考代码

module lcd_driver(
clk ,//40MHz
rst_n ,
hys ,
vys ,
lcd_de ,
lcd_rgb ,
lcd_dclk
);
input clk ;
input rst_n ;
output hys ;
output vys ;
output lcd_de ;
output [23:0] lcd_rgb ;
output lcd_dclk ;
reg hys ;
reg vys ;
reg lcd_de ;
reg [23:0] lcd_rgb ;
wire lcd_dclk ;
//1056
parameter THPW = 20 ;
parameter THB = 46 ;
parameter THD = 800 ;
parameter THFP = 210 ;
//525
parameter TVPW = 10 ;
parameter TVB = 23 ;
parameter TVD = 480 ;
parameter TVFP = 22 ;
parameter HDE_CENTRE = THD/2 ;//400
parameter VDE_CENTRE = TVD/2 ;//240
parameter LOGO_X0 = (0 + (THB-1)) ;
parameter LOGO_X1 = (120 + (THB-1)) ;
parameter LOGO_Y0 = (0 + (TVB-1)) ;
parameter LOGO_Y1 = (55 + (TVB-1)) ;
parameter E_X0 = ((HDE_CENTRE-200) + (THB-1)) ;
parameter E_X1 = ((HDE_CENTRE+200) + (THB-1)) ;
parameter E_Y0 = ((VDE_CENTRE-150) + (TVB-1)) ;
parameter E_Y1 = ((VDE_CENTRE+150) + (TVB-1)) ;
reg [ 10:0] h_cnt ;
wire add_h_cnt ;
wire end_h_cnt ;
reg [ 9:0] v_cnt ;
wire add_v_cnt ;
wire end_v_cnt ;
wire active_area ;
reg logo_rom_area ;
reg [15:0] logo_rom_addr ;
wire [7:0] logo_rom_data ;
reg e_rom_area ;
reg [17:0] e_rom_addr ;
wire [7:0] e_rom_data ;
reg [2:0] e_rom_addr_low ;
reg e_sel ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
h_cnt <= 0;
end
else if(add_h_cnt) begin
if(end_h_cnt)
h_cnt <= 0;
else
h_cnt <= h_cnt+1 ;
end
end
assign add_h_cnt = 1;
assign end_h_cnt = add_h_cnt && h_cnt == (THB + THD + THFP)-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
v_cnt <= 0;
end
else if(add_v_cnt) begin
if(end_v_cnt)
v_cnt <= 0;
else
v_cnt <= v_cnt+1 ;
end
end
assign add_v_cnt = end_h_cnt;
assign end_v_cnt = add_v_cnt && v_cnt == (TVB + TVD + TVFP)-1 ;
/*******************************************************/
//dclk
assign lcd_dclk = clk;
//hsync
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
hys <= 0;
end
else if(add_h_cnt && h_cnt==THPW-1)begin
hys <= 1;
end
else if(end_h_cnt)begin
hys <= 0;
end
end
//vsync
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
vys <= 0;
end
else if(add_v_cnt && v_cnt==TVPW-1)begin
vys <= 1;
end
else if(end_v_cnt)begin
vys <= 0;
end
end
//lcd_de
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
lcd_de <= 0;
end
else if(active_area)begin
lcd_de <= 1;
end
else begin
lcd_de <= 0;
end
end
/********************************************************************/
assign active_area = h_cnt>=(THB-1) && h_cnt<(THB+THD-1) && v_cnt>=(TVB-1) && v_cnt<(TVB+TVD-1);
always @(*)begin
logo_rom_area = h_cnt >=LOGO_X0 && h_cnt < LOGO_X1 && v_cnt >= LOGO_Y0 && v_cnt < LOGO_Y1;
end
always @(*)begin
e_rom_area = h_cnt >=E_X0 && h_cnt < E_X1 && v_cnt >= E_Y0 && v_cnt < E_Y1;
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
lcd_rgb <= 0;
end
else if(active_area)begin
if(logo_rom_area)
lcd_rgb <= {logo_rom_data[7:5],5'b11111,logo_rom_data[4:2],5'b11111,logo_rom_data[1:0],6'b111111};
else if(e_rom_area)
lcd_rgb <= {24{e_sel}};
else
lcd_rgb <= {24{1'b1}};
end
else begin
lcd_rgb <=0;
end
end
always @(*)begin
logo_rom_addr = (h_cnt-LOGO_X0) + 120*(v_cnt-LOGO_Y0);
end
always @(*)begin
e_rom_addr = (h_cnt-E_X0) + 400*(v_cnt-E_Y0);
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
e_rom_addr_low <= 0;
end
else begin
e_rom_addr_low <= e_rom_addr[2:0];
end
end
always @(*)begin
e_sel = ~e_rom_data[7-e_rom_addr_low];
end
fpga_rom u_fpga_rom(
.address (logo_rom_addr),
.clock (clk ),
.q (logo_rom_data));
e_rom u_e_rom(
.address (e_rom_addr[16:3] ),
.clock (clk ),
.q (e_rom_data ));
endmodule

复制代码

1.5 效果和总结
以下为工程上板后的现象效果图：

mp801开发板

ms980试验箱

设计视频和源工程代码请到论坛下载学习：http://www.fpgabbs.cn/thread-1162-1-1.html

访问明德扬论坛（http://www.fpgabbs.cn/）进行更多FPGA相关工程设计学习。

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信号名	I/O	位宽	定义
clk	I	1	系统工作时钟 50M
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效
hys	O	1	LCD 行时序信号
vys	O	1	LCD 场时序信号
lcd_de	O	1	LCD 数据输入使能信号
lcd_rgb	O	24	LCD RGB信号，RGB格式为使用24位来表示一个像素，RGB分量都用8位表示，取值范围为0-255。
lcd_dclk	O	1	LCD 数据采样时钟