基于Actel FPGA的筆段式LCD驅動設計

筆段式液晶顯示器具有低電壓，低功耗，體積小，易于開發等特點，廣泛應用在各種儀器儀表、屯子設備及家用電器等方面。本文介紹的基于FPGA的筆段式LCD驅動器具有靈活性高，擴展性強，可快速構建等特點，與集成電路控制器相比，FPGA更加靈活，可以針對不同的液晶顯示模塊更改時序信號和顯示數據。本設計選用Actel公司的Fusion系列器件，設計了筆段式液晶顯示驅動控制器，為驅動控制LCD提供了一種完美的解決方案。

1 筆段式LCD簡介

液晶顯示器簡稱LCD(Liquid Crystal Display)。利用液晶經過處理后能夠改變光線傳輸方向的特性，達到顯示字符或者圖形的目的，所以它是一種被動式的顯示器。

LCD顯示器有筆段式和點陣式兩種。點陣式LCD顯示器的段電極與背電極里正交帶狀分布，液晶位于正交的帶狀電極間。筆段式LCD顯示器類似于LED數碼管顯示器。每個顯示器的段電極包括七個筆劃(段)和一個背電極BP(或COM)?？梢燥@示數字和簡單的字符，每個數字和字符與其字形碼(段碼)對應。一般的筆段式LCD如圖1所示。

為使液晶實現顯示，必須滿足一定的條件：首先要有足夠強的電信號作用于液晶，使液晶分子的初始排列發生變化；其次是每個電(光、熱)信號可以在一段時間內作用于一個或者多個像素單元。由于直流電場會導致液晶材料發生電解等化學反應，使電極急劇的老化，因此只能在像素電極上建立交流電場，而且應該盡量減少交流電場中的直流成分。由于液晶顯示器件有類型、規格、型號的不同，對施加的電壓波形、相位和頻率、占空比等都有著不同的要求。

2 Actel FPGA技術

Actel公司是單芯片FPGA解決方案的領導廠商，早期以反熔絲FPGA為主，致力于航天航空和軍用領域，對FPGA的可靠性要求相當高，并將Actel FPGA成功應用于超過300個太空計劃，例如：國際太空站、火星探路者、火星探測登陸車1號和2號、火星快車以及哈勃望遠鏡等。Actel近年來逐漸向民用市場開放，并率先推出了高安全性、高可靠性的Flash架構的FPGA，從第一代ProASIC到第三代ProASIC3，特別是第三代ProASIC3的廣泛應用，顯示出Actel PPGA的強大優勢：單芯片、上電即行、非易失性、低功耗、高安全性、固件錯誤免疫、無NRE費用、快速原型構建等。

此外，Actel FPGA還可以結合Cortex-M1、ARM7及8051等軟核MCU，實現真正的片上系統。

3 FPGA設計實現

(1)系統框圖

基于ActelFPGA的筆段式LCD驅動設計框圖如圖2所示。LCD需要交流的方波進行驅動以防止LCD的液晶分子過分扭曲。FPGA的I／O只能實現三種電平狀態，分別是高電平、低電平和高阻態。為了提高選擇點亮筆段與半選擇筆段之間的對比度，公共背電極需要實現四種電平的狀態，那么就需要外加分壓電路的實現。

在FPGA內部需要實現的功能是，完成輸入輸出的數據接口模塊；實現輸入數據的編碼轉換橫塊；實現筆段式LCD的行掃描信號控制；實現筆段式LCD列控制信號的輸出。

輸入輸出接口模塊主要是實現上下級數據的收發，對上級輸入和輸出到下一級的數據進行緩沖，在時鐘沿下進行同步，這樣可以有效地消除毛刺，增強系統的穩定性。數據編碼模塊實現對輸入數據的編碼，這樣外部就可以直接輸入十進制的數據，然后通過編碼模塊編碼后再送到后級的列控制模塊進行掃描顯示。采用內部編碼的方式可以減少I／O的占用，節約了I／O資源，且方便用戶的使用，具有通用性，使接口更簡單，使用更靈活。

(2)行掃描信號實現

行掃描模塊實現了對LCD背極信號(公共端COM)的掃描控制，由于LCD的動態驅動方式是把所有同一行的信號連接在一起形成公共端，所以在驅動LCD的時候一般采用行掃描的方式進行，而顯示的控制則由列驅動控制信號來完成。

為了使LCD的驅動端口由交流的周期性方波驅動，設計中采用一個周期八個電平循環掃描的方式實現。列驅動模塊實現對顯示數據和顯示位數的控制。由于行掃描信號是一種固定產生的PWM波信號，因此在決定哪一位或者哪一個筆段需要顯示時，完全由列驅動信號來控制。筆段式LCD顯示的條件之一就是在公共端(COM)和段碼端(SEG)兩者之間的電壓差達到LCD顯示電壓的閥值。

為了使COM與SEG之間的電壓差達到LCD顯示的閥值，需要根據行掃描信號的時序波形圖進行列驅動信號的設計。這樣才能使兩者之間大于或者小于閥值電壓。從而控制筆段式LCD的亮滅。為了使驅動信號是周期行方波，設計中需要對輸入的信號與一個周期性的信號進行異或運算，這樣就能確保輸入到驅動端的信號都是周期性變化的方波，避免LCD液晶分子的過度扭曲而損壞筆段式LCD。

(3)列控制信號實現

FPGA外部的分壓電路是為了實現多電平驅動信號而設計的，列控制信號的分壓是由兩個阻值相等的電壓串聯分壓而成的，分別接地和電源。當FPGA的I／O分別輸出為0、1、z三種電平時，筆段式LCD的驅動電平分別為0v、3.3v和1／2個3.3V。行掃描信號分壓電路與列控制的分壓電路類似，設計中采用的是1：4的偏壓比，筆段式LCD COM端上的電平分別為0v、1／4個3.3V、3／4個3.3V和3.3V。經過分壓電阻后就可以正常地驅動筆段式LCD。

(4)筆段式LCD驅動時序

FPGA程序時序結合外部分壓電路的筆段式LCD驅動時序如圖3所示。設計中采用了模塊復用的方法來節約資源，僅有一個輸入端口，通過選擇器來進行位顯示的選擇。在輸入顯示數據后選通顯示位。行掃描信號是一直掃描輸出的。字符位在正常情況下是不顯示的，只有在出現電量過低等特殊情況時才顯示相對應的字符以作警示。

4 應用場合

在僅需顯示數字，要求功耗低以及只有少量顯示信息的場合，本設計由于具有低電壓、低功耗、低成本等特點而具有廣泛的應用前景。典型的應用場合如圖4所示。

·POS系統：交易系統、銀行終端、加油機、收銀臺等；

·工業控制基站：顯示、儀表等；

·消費電子：MP3播放器、PDA等；

·智能儀表：汽車儀表、電表、家電儀表、測量工具等。

很多電子設備是在戶外環境中使用的，特別是一些工業現場環境更是非常惡劣，Actel FPGA具有高度的可靠性，它的編程門限電壓高達12V，能有效抵抗高能粒子的轟擊和干擾。ActelFPGA還具有高度的安全性，具有Flash Lock和AES雙重的加密技術，可以有效的保護知識產權，防止他人的抄襲和復制。

5 小結

本文主要介紹了基于Actel FPGA的筆段式LCD直接驅動的設計實現。敬請關注周立功公司的網站www.zlgmcu.com以獲得更多的信息。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務和技術支持，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，并請關注下期的FPGA專題技術講座。