基于FPGA的LCD1602液晶显示模块驱动设计

引言：本文通过以LCD1602液晶显示模块为基础，介绍FPGA驱动LCD1602原理，详细介绍硬件原理图设计及FPGA驱动LCD1602软件设计，通过万年历功能综合实现时钟功能、LCD1602显示功能。

1.硬件设计原理

1.1 概述

LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块，它可以显示字母、数字和符号等。

图1：常见的LCD1602款式

LCD1602由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。从图2中COM信号、SEG信号可以看出，LCD1602的驱动原理与数码管本质上是类似的，只不过其内部LCD驱动电路实现了对数据的解码，用户只需按照控制接口简单输入要显示的数据即可。

图2：常见的LCD1602内部组成结构

常用的类型有16×1，16×2，20×2和40×2等的模块。不同厂家生产的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一样的，本文以16×2为例进行介绍。

1.2 LCD1602硬件设计

（1）主要技术参数

显示字符容量：16×2个字符，即显示两行字符，每行16个字符；

工作电压：4.5V~5.5V（最佳工作电压5.0V），典型电流2mA@5.0V；

字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm。

（2）尺寸大小

LCD1602尺寸大小如图3所示。

图3：LCD1602尺寸大小

（3）信号接口说明

信号接口定义说明如下表所示。

表1：LCD1602信号定义

管脚说明：

管脚1，2，为电源管脚，15,16为背光管脚，均推荐5.0V供电；

管脚3为，对比度调节管脚，需提供偏压电压。其用于LCD1602液晶屏对比度控制，该管脚电压在1.2V±0.1V左右显示对比度较佳，硬件连接是建议采用滑动变阻器对其电压进行控制；

管脚4 RS，为数据，命令选择管脚：H：数据选择，L：命令选择；

管脚5 R/W，为读写管脚：H：读操作，L：写；

管脚6 E，为是能管脚，该信号下降沿有效时，数据传输给内部模块；

管脚714 D0D7，为数据或命令。

（4）原理图设计

LCD1602硬件原理图设计如4所示。

图4：LCD1602硬件原理图

2.软件设计

2.1 LCD1602显示及指令说明

如图3右侧所示，液晶屏每个字符其实是有5×8个LED灯组成，由于LCD1602内部已经集成了专门的驱动芯片，无需用户像数码管那样单独的去控制每一个LED灯，降低了开发难度，减少了硬件连接信号线。

（1）LCD1602内部RAM地址映射图

图5：LCD1602内部RAM地址映射图

LCD1602内部控制器带有80×8位（80字节）的RAM缓冲区如图5所示。LCD1602内部字符表编码如图6所示。

图6：LCD1602内部字符表编码:

（2）指令说明

初始化设置指令：

显示模式设置指令38H：

显示开/关、光标功能

（3）数据控制

控制器内部设有一个数据指针，用户可以通过他们方位内部的全部80字节RAM。

数据指针设置：即如果要在01位置显示字符，RAM的地址必须是01H+80H，即81H，其他位置类似，均需要加上80H。

（4）其他设置

显示清屏和显示回车指令：

2.2 读写操作时序

（1）读操作

读操作时序如图7所示。

图7：读操作时序

读状态：输入：RS = L，RW = H，E = H，输出D0~D7状态字；

读数据：输入：RS = H，RW = H，E = H，输出D0~D7数据。

（2）写操作

写操作时序如图8所示。

图8：读操作时序

写指令：输入：RS = L，RW = L，D0~D7=指令码，E = H，输出无；

写数据：输入：RS = H，RW = L，D0D7=指令码，E = H，输出D0D7数据。

读写操作需要注意的是，D0~D7数据要在使能E信号的下降沿写入控制器，要注意tHD2保持时间必须满足手册要求，其他时序参数也要参考手册要求。

2.3 LCD1602上电初始化操作

LCD1602上电必须进行初始化操作，初始化过程如下：

（1）硬件上电后，延迟15ms；

（2）写指令38H（可不检测忙信号）；

（3）延迟5ms；

（4）写指令38H（可不检测忙信号）；

（5）延迟5ms；

（6）写指令38H（可不检测忙信号，以后每次写指令、读写操作前均需检测忙信号，也可通过增大延迟，如5ms，不检测忙信号）；

（7）写指令38H：显示模式设置；

（8）写08H：关闭显示；

（9）写0H：显示清屏；

（10）写指令06H：显示光标移动设置；

（11）写指令0CH：显示开及光标设置。

2.4 软件设计

本文要利用LCD1602实现万年历显示。具体功能如下：

（1）DS1302芯片SPI接口驱动功能；

（2）DS1302芯片寄存器读写控制功能，可以实现时钟初始化设置；

（3）按键消抖功能；

（4）LCD1602显示万年历静态设置时间；

（5）LCD1602显示万年历动态时间。

软件功能模块划分如图9所示。

图9：软件设计模块划分框图

各个模块功能：

（1）lcd1602_calendar.v模块为万年历顶层模块，实现模块间互联；

（2）spi_driver.v实现DS1302 SPI接口通信功能；

（3）ds1302_ctrl_m.v实现DS1302寄存器读写控制功能，包括将设置值写入芯片和将芯片寄存器值读出控制。

（4）set_init_time.v实现通过按键实现万年历初始值设置；

（5）lcd1602_driver.v驱动LCD1602接口实现万年历显示功能（动态显示年、月、日、星期、时、分、秒，温度静态显示）；

（6）KeyJitters.v实现按键消抖功能。

3.测试结果

软件下载至电路板，通过SignaTap II在线逻辑分析仪抓取LCD1602接口写数据如下图所示。

图10：LCD1602写操作

通过按键设置万年历初始值，显示在LCD1602上，如图11所示，可以看到万年历时间已经正确显示。

图11：LCD1602万年历初始值设置显示