基于FPGA图形和字符加速的液晶显示设计

　　在传统的工业控制应用中，由于工业控制计算机中集成了高性能的显卡，故通常采用工业控制计算机＋液晶显示器的体系结构，可方便地实现以图形和字符为主的人机界面。而在对实时性能和可靠性要求比较高的航空航天领域，通常要求液晶显示器内部集成图形显示功能，以减轻主控处理器的负担，并提高系统的实时性。重点介绍了如何利用ＦＰＧＡ实现基于Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ算法的２Ｄ图形绘制（包括画点、画线、画圆、画椭圆），以及点阵字符和位图在液晶屏上的显示，并提出了显示性能优化的一系列策略。经过仿真验证和产品实际应用，该设计方法实现的液晶显示模块图形和字符显示功能稳定，性能良好，适合于航空航天领域高可靠性液晶显示模块的应用需求。

　　１　引　　言

　　在传统的工业控制应用中，多采用Ｘ８６架构的工业控制计算机，计算机外置或集成显卡输出ＶＧＡ／ＤＶＩ视频信号，由液晶显示器完成显示功能。在这种架构下采用软件编程实现人机界面比较方便。而在嵌入式系统领域，尤其是航空航天仪表显示设备的信息显示领域，对显示任务的可靠性和实时性要求很高。一方面需要减少设备内部的模块及互联总线，以提高设备的可靠性并降低功耗；另一方面，设备所选用的高可靠性处理器性能通常较低，需要专门的硬件加速器辅助完成显示功能。硬件加速器主要完成字符显示、图表绘制及液晶屏驱动等功能，以减轻处理器的负担，提高外部通信总线处理的实时性。基于ＦＰＧＡ的液晶显示驱动及图形加速器就是为了满足显示仪表设备而设计的。由于液晶显示模块内部集成了图形和显示功能，对设备主机处理器的性能要求大大降低，这样就可以采用低性能、可靠性高的处理器来承担显示控制任务。

　　２　系统结构

　　２．１　总体结构

　　仪表设备系统结构图如图１所示，由数据采集与通讯主机和液晶显示模块组成。

　　

　　２．２　数据采集与通讯主机

　　数据采集与通讯主机采用５１系列单片机，外接Ａ／Ｄ采集、ＣＡＮ等接口，主要完成数据采集、通信及向液晶显示模块发送页面显示命令等功能。

　　２．３　接口

　　液晶显示模块与设备主机间为ＲＳ４２２串行接口，通讯波特率为２００ｋｂｉｔ／ｓ，数据传输协议是自定义的，由帧头、数据包长度、命令、参数、校验和构成，单个数据包最大长度为２５６字节。

　　帧头：为０ｘＥＢ、０ｘ９０两字节，为整个数据帧的通讯过程提供同步功能；

　　字节长度：１字节，数据帧格式中指令的总字节数，最大不超过２５５字节。

　　指令：液晶显示模块操作指令内容，包括命令和参数，表１给出了部分操作指令格式及含义；

　　校验：１字节，“字节长度”和“指令”字段的累加和，以校验数据帧的正确性。

　　２．４　液晶显示模块

　　液晶显示模块，相当于小型液晶显示终端，由液晶屏及其ＴＣＯＮ 板、背光、图形加速及显示控制板组成。

　　液晶显示模块需完成的绘图命令有：屏幕擦除（背景填充）、画点、画线、画矩形、画椭圆、画圆、字符串显示、自定义字显示、图片显示、块拷贝、块粘贴等功能，以及字库及图片下载功能。除此之外，还有液晶屏亮度调节及状态管理等命令。

　　２Ｄ绘图指令定义见表１。

　　

　　本设计选用的液晶屏为ＮＥＣ公司的１６．５ｃｍ（６．５ｉｎ）ＴＦＴ彩色液晶显示屏，分辨率为６４０×４８０，液晶屏自带ＴＣＯＮ板，其接口为１８ｂｉｔ数字ＲＧＢ信号。

　　３　ＦＰＧＡ设计实现

　　ＦＰＧＡ在本设计中完成的工作主要是：一方面，进行数据接收并解析，根据命令进行图形绘制操作，生成显示帧存储写操作数据流，最后将要改写的数据写入ＳＤＲＡＭ 存储器中；另一方面，根据液晶屏同步信号时序要求，将帧存中显示区的数据定时地读出，生成液晶屏驱动数据流；其次，ＦＰＧＡ内部还具有ＰＷＭ 信号生成模块，可调节液晶显示屏的亮度。

　　３．１　ＦＰＧＡ器件选型

　　ＦＰＧＡ选用Ｘｉｌｉｎｘ　２Ｖ３０００系列［１］，该器件具有２８　６７２个ＬＵＴ单元和个２８　６７２个触发器以及９６个ＢｌｏｃｋＲＡＭｓ，便于实现大规模控制逻辑及ＦＩＦＯ、Ｂｕｆｆｅｒ等；另外，ＦＰＧＡ 内部具有ＤＣＭ，可将外部６５ＭＨｚ时钟转为２５ＭＨｚ时钟，用于液晶屏驱动时钟，并可内部经分频产生１ｋＨｚ　ＰＷＭ信号，用于液晶屏背光亮度调节。

　　

　　３．２　ＦＰＧＡ结构

　　ＦＰＧＡ内部结构如图２所示。

　　

　　３．２．１　命令接收解析模块

　　数据命令（设备主机下发）以２００ｋｂｉｔ／ｓ ＵＡＲＴ接口送入ＦＰＧＡ 中，ＦＰＧＡ 接收数据后，完成数据帧的识别、校验。对于校验无误的数据帧，解析命令字的含义，并将对应的参数传入相应的模块中，启动命令处理操作。

　　３．２．２　２Ｄ图形加速模块

　　所有的２Ｄ图形绘制操作都可以分解为画线段或画椭圆等基本图元操作，由于液晶屏为栅格显示结构，基本图元操作命令最终是转化为打点操作。

　　画线段和画椭圆弧采用的是ｂｒｅｓｅｎｈａｍ 算法［２］。该算法的基本原理是在进行线段绘制操作时，首先根据线段的斜率确定绘制的起点和方向，以确定每次在Ｘ 方向还是Ｙ 方向上步进，然后每步进一步，确定在另一个方向上的增量，保持不动或者增１、减１，最后输出该点坐标，流程图如图３所示。

　　如图４所示，绘制一条从（０，０）至（１８，６）的线段，第一个点为（０，０），由于ｄｘ＞ｄｙ，则在ｘ 方向上递进，每个时钟周期ｘ 坐标加１。根据ｂｒｅｓｅｎｈａｍ

　　算法，初始判决式为ｄ１＝ｄｙ×２－ｄｘ＝６×２－１８＝－６＜０，则第２个点（１，０），同时ｄ２＝ｄ１＋ｄｙ×２＝６＞０，则ｙ＋＋，输出第３个点为（２，１），依次输出下一个点，直到输出最后一个点（１８，６）。

　　

　　同样在进行椭圆或者圆绘制操作时，也采用了ｂｒｅｓｅｎｈａｍ算法。在ＦＰＧＡ 中实现时，采用状态机的编码方式，以绘制圆心为（ｘ０，ｙ０）、长半轴为ａ、短半轴为ｂ的椭圆为例，其状态转移流程图图如图５所示。图中ＣＡＬＣ＿Ａ和ＣＡＬＣ＿Ｂ状态分别为计算１／４椭圆弧中的ａ轴方向和ｂ 轴方向的像素点。

　　

　　画线时的数据运算只有乘以２和加法，乘以２通过将数据左移１位，末位补０来实现。

　　在进行椭圆绘制时，乘法操作采用的是ＦＰＧＡ内部的ＭＵＬＴ１８Ｘ１８Ｓ乘法单元，先将算式中的浮点数通过移位运算放大２ｎ倍数转换为定点数，计算得到的结果再通过截掉最低的ｎ 位，相当于除以２ｎ。通过这种方法避免了在ＦＰＧＡ 中做硬件除法，同时提高了绘图效率。

　　３．２．３　字符及图片显示加速模块

　　在该设计中，液晶屏上显示的字符为点阵字符。该字符库是通过串行通讯接口（ＲＳ４２２）预置在ＦＬＡＳＨ 中的，字库为预先转换好的ＧＢ２３１２点阵字库。本设计中采用了两种规格大小的标准字库，西文为黑体８×１６和１６×３２，汉字为１６×１６及３２×３２。除此之外，用户还可下载自定义的字库，点阵大小最大可以为２５６×２５６，字库可在屏幕上任意位置为起始点显示。

　　预置图片为２５６色ＢＭＰ图片，最大不超过屏幕分辨率（６４０×４８０），可以在屏幕上任意位置为起始点显示。

　　字符和图片在数据结构上具有相似性，均为点阵数据。

　　在显示时，根据显示命令，首先从存储单元中获取欲显示的字符或图片的点阵数据。对于字符，其点阵数据中的“０”表示不显示，“１”表示显示，然后向显示坐标位置对应的地址空间中依次写入颜色值。对于不需要写入的像素点，在写操作时，使用ＳＤＲＡＭ 的写屏蔽功能，每完成一行，地址切换到下一行，直至写操作结束。

　　

　　３．２．４　液晶屏数据流生成模块

　　本设计中选用的液晶屏型号为ＮＥＣ公司的ＮＬ６４４８－ＢＣ２０－２０［３］，接口为ＬＶＴＴＬ 数字ＲＧＢ接口，包括Ｒ、Ｇ、Ｂ（每色为６ｂｉｔ）、ＨＳ、ＶＳ、ＤＥ、ＣＬＫ等信号。

　　该液晶屏有两种时序模式，固定时序模式和ＤＥ信号模式。固定时序模式下，液晶屏有效数据起始点是以ＨＳ、ＶＳ边沿为参考的固定数值，而ＤＥ信号模式下，有效数据范围是以ＤＥ信号为参考的。本设计中选择了ＤＥ模式，每行中ＤＥ为高电平的第一个周期对应第一个有效数据。

　　液晶屏数据生成设计框图如图６所示。该模块采用ＤＣＭ 生成２５ＭＨｚ像素时钟，并采用两个计数器（行计数器和列计数器）生成ＤＥ信号［４－５］，根据液晶屏时序要求，每行总共８００个时钟，有效像素点为６４０个时钟；每列总共５２５行，有效数据区域为４８０行。在ＦＰＧＡ设计中，行计数器在像素时钟下计数，从０计数到７９９后，输出ＨＳ脉

　　冲，同时计数值回到０重新进行下一轮的计数；列计数器以ＨＳ信号脉冲为计数条件，从０计数到５２４行后，输出ＶＳ脉冲，同时计数值回到０。

　　

　　将行计数值定义为ｈ＿ｃｎｔ，列计数值定义为ｖ＿ｃｎｔ，数据有效信号ＤＥ设计为：

　　

　　数据读取模块根据ＨＳ信号从ＳＤＲＡＭ 存储器中读取一行有效数据到ＦＩＦＯ中，并采用ＤＥ信号作为ＦＩＦＯ的读使能信号，将ＦＩＦＯ中的数据取出，生成１８ｂｉｔ　ＲＧＢ数字信号送给液晶屏ＴＣＯＮ板，驱动液晶屏输出显示画面。

　　３．２．５　ＳＤＲＡＭ 控制器

　　采用的ＳＤＲＡＭ 容量为３２Ｍ×３２ｂｉｔ，设计的工作频率为６５ ＭＨｚ，ＳＤＲＡＭ 中划分为多个区域：显示页面区、绘制操作页面区、字库区、图片区等。

　　ＳＤＲＡＭ 器件在进行读写操作时，需要先激活一行，然后在该行内，针对某个列地址进读／写操作，操作完毕后，需要进行预充电以关闭该行，同时，ＳＤＲＡＭ 需要定期地进行刷新以保持其内部数据稳定不丢失。用ＦＰＧＡ 实现的ＳＤＲＡＭ控制器就是为了实现提供一个便于上层读写访问的简单接口。

　　３．２．６　ＦＬＡＳＨ控制器

　　采用的ＦＬＡＳＨ容量为１６Ｍ×１６ｂｉｔ的ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ。ＦＬＡＳＨ 主要用于存储字库和图片，内部数据可通过液晶显示模块数据通信口进行下载。

　　ＦＬＡＳＨ 接口为异步接口，在进行读操作时，其时序相对简单，类似于ＲＯＭ。而在进行写操作时则相对复杂，在写ＦＬＡＳＨ 之前，先确认扇区为空，如果不为空，则需要先擦除。

　　３．２．７　存储仲裁器

　　存储仲裁器模块结构如图７所示，在同一时间，ＳＤＲＡＭ 只能为其中一个模块提供数据读或写操作。该模块的设计是为了解决多模块同时访问ＳＤＲＡＭ 或ＦＬＡＳＨ 时的优先级控制，以及提供排队访问的机制。该模块中采用了标志位Ｉｎ－ＱｕｅｕｅＦｌａｇ［２∶０］来分别记录各模块的状态请求，并分别给出应答信号，以控制其对于ＳＤＲＡＭ的读写访问。

　　

　　在ＦＰＧＡ设计中，由于液晶屏数据生成模块对数据的及时性要求最高，给予其最高的优先级，在ＳＤＲＡＭ接口空闲的情况下，优先处理ＩｎＱｕｅｕｅ－Ｆｌａｇ［０］＝１的请求，处理完毕后，ＩｎＱｕｅｕｅＦｌａｇ［０］清０。如果ＩｎＱｕｅｕｅＦｌａｇ［０］＝０，则检查ＩｎＱｕｅｕｅ－ｌａｇ［１］是否为１，依次直至所有标志位为０。

　　４　优化系统性能的几点设计

　　４．１　采用双图层、多页面的设计

　　显示屏在显示时，具有前景和背景两个图层。在绘图过程中，可进行切换［６］。

　　该显示模块在设计时，存储区中开辟了１０个操作页面和显示页面。正常使用情况下，在后台页面进行绘图操作，绘制完成后，将显示页面切换至该页面。这样可避免因绘图操作对内存数据更新而引起的显示不流畅感。

　　

　　４．２　２５６色调色板设计

　　液晶屏有144种颜色，但对于图形显示屏而言，实际应用中并不需要这么多种色彩，２５６色已经可以满足应用要求。在ＦＰＧＡ 内部，使用ＢｌｏｃｋＲＡＭ 建立了一个２５６色的调色板，每种色号对应一个ＲＧＢ颜色值。

　　如果每个像素都存储ＲＧＢ值，则每像素需要１８位。而采用２５６色，每个像素点的颜色只需要用８位来表示，由此可见，采用２５６色调色板的设计可以减小一半以上的内存带宽需求。

　　４．３　缓存设计

　　在进行绘图和字符、图片等显示操作时，每次写入ＳＤＲＡＭ 内存的数据，不是立即写入的。而是先将要操作的ＳＤＲＡＭ 地址及其数据暂存在ｂｕｆｆｅｒ中，由专门的模块负责将其写入ＳＤＲＡＭ中。这样的设计有两个好处，一是减少了对存储器的频繁读写，存储器读写效率提高；另一方面，绘图模块无需等待数据写入，便可继续进行绘图操作，大大提高了绘图效率，从而提升了整个显示模块的性能。

　　４．４　高效率的ＳＤＲＡＭ 控制器

　　用ＦＰＧＡ 实现的ＳＤＲＡＭ 控制器［７－８］，其核心是控制好ＳＤＲＡＭ 读写命令给出的时机，并定时刷新ＳＤＲＡＭ，同时提供方便的用户接口给其他模块使用。

　　另外，由于ＳＤＲＡＭ 的特性，进行单字节操作时，其效率很低。经过分析，在６５ＭＨｚ时钟下，写入１个字节，至少需要８个时钟周期，包括激活命令、写命令、预充电命令以及等待时间，效率只有１２．５％。

　　本设计中使用Ｂｕｒｓｔ操作，在Ｆｕｌｌｐａｇｅ操作时，其读写效率会大大提高，接近９７％。

　　４．５　ＦＬＡＳＨ数据校验机制

　　为了保证存储在ＦＬＡＳＨ区域中数据的完整性，系统在每次启动时，会发送相关的自检命令检查ＦＬＡＳＨ 数据的完整性，并将自检信息显示在液晶屏上，以保证字库、图片数据的正确性。

　　５　仿真及测试结果

　　采用ＭｏｄｅｌＳｉｍ６．２ｇ对本设计进行了功能和时序仿真，仿真了屏幕擦除、画线、画圆和字符显示等指令的性能情况。如图８中（ａ）、（ｂ）图所示，图中，ｃｍｄ信号为指令（详见表１），ｓｔａｒｔ＿ＦＢＭ、ｓｔａｒｔ＿ＰＣＧ是指令操作时的起始信号，图中还给出了ＳＤＲＡＭ 信号线。从图中可以看到，ｃｍｄ信号从０ｘ００变到０ｘ４２表明开始进行擦除操作，由０ｘ４２切换到０ｘ３５表明擦除操作结束，开始执行画线命令。可以看到在屏幕擦除操作过程中ＳＤＲＡＭ 信号线ＣＳ、ＲＡＳ、ＣＡＳ上信号不断变化，此时ＳＤＲＡＭ 执行写操作。

　　

　　仿真结果表明，在６５ＭＨｚ时钟频率下，典型操作时间为：擦除整屏（６４０×４８０）耗时为２　９１０．６μｓ；画一条长度为１００的斜线段，耗时为１４．０μｓ；绘制一个直径为１０的圆，耗时为１３．６μｓ；显示一个１６×１６大小的点阵汉字，耗时为４４．１μｓ。

　　本设计实现的液晶显示模块在典型应用情况下，每秒约有２５０条绘图命令，包含了屏幕擦除及大量画线及字符串显示操作。经仿真测试，在该使用情况下，ＳＤＲＡＭ 读写占用率约为２１％。

　　在ＲＳ４２２数据总线满负荷情况下，每秒最大接收１０ｋ字节数据，最多为５ｋ个汉字显示，估算ＳＤＲＡＭ 读写占用率约为３０％，资源利用仍有足够的余量。

　　由此可见，采用本设计的液晶显示模块在典型工况和数据总线满负荷情况下，均有足够的余量能够高效地完成上位机发送的作图命令，不会造成显示迟滞。

　　该液晶显示模块已应用于飞行器仪表显示系统中，并成功完成了飞行任务。

　　６　结　　论

　　采用基于ＦＰＧＡ 图形和字符加速的液晶显示模块，可以较好地满足航空航天领域中高可靠性仪表显示设备中低性能微处理器作为主机，而液晶显示模块作为显示终端的应用需求，减轻了处理器及显示控制软件的复杂度。当然，本设计的部分性能指标还有待提高，为了适应高分辨率、大尺寸ＴＦＴ液晶屏的要求，需要提高ＦＰＧＡ 运行频率，同时采用ＤＤＲ／ＤＤＲ２ＳＤＲＡＭ 等高速存储器件。