16 RGB-LCD 彩条显示

RGB TFT-LCD 简介

TFT-LCD 的全称是 Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，即薄膜晶体管液晶显示屏，它显示的每个像素点都是由集成在液晶后面的薄膜晶体管独立驱动，因此 TFT-LCD 具有较高的响应速度以及较好的图像质量。液晶显示器是现在最常用的显示器，如手机、电脑等各种人机交互设备基本都用到了 LCD。在使用 TFT-LCD 时需要重点关注以下参数：

分辨率
LCD 显示器是由一个一个的像素点组成，一个像素点就类似一个 RGB 小灯（也就是由 R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)这三种颜色组成，而 RGB 就是光的三原色，通过不同比例的组合可以程任意颜色），如 1080P 的意思就是一个 LCD 屏幕上的像素数量是 19201080 个，即屏幕一列有 1080 个像素点，一共有 1920 列，如下是一个 1080P 显示器的像素示意图，X 轴就是 LCD 显示器的横轴，Y 轴就是显示器的竖轴，图中的小方块就是像素点，一共有 19201080=2073600 个像素点，左上角的 A 点是第一个像素点，右下角的 C 点就是最后一个像素点。
像素格式
上面提到一个像素点就相当于一个 RGB 小灯，通过控制 R、G、B 这三种颜色的亮度就可以显示出各种各样的色彩。一般一个像素点的 R、G、B 这三部分分别使用 8bit 的数据描述其亮度，那么一个像素点就是 8bit*3=24bit，也就是说一个像素点 3 个字节，这种像素格式称为RGB888。当然常用的像素点格式还有 RGB565，只需要两个字节，但在色彩鲜艳度上较差一些。如下是一个 RGB888 像素格式示意图，其中 bit23~bit16 是 RED 通道，bit15~bit8 是 GREEN 通道，bit7~bit0 是 BLUE 通道。
LCD 屏幕接口
LCD 屏幕或者说显示器有很多种接口，常见的 VGA、HDMI、DP、RGB等， VGA、HDMI、DP 常用于桌面显示器， RGB 常用于各自嵌入式设备，RGB LCD 接口的信号线如下表所示：
LCD 时间参数
如果将 LCD 显示一帧图像的过程想象成绘画，那么在显示的过程中就是用一根“笔”在不同的像素点画上不同的颜色。这根笔按照从左至右、从上到下的顺序扫描每个像素点，并且在像素画上对应的颜色，当画到最后一个像素点的时候一幅图像就绘制好了，如下是一个 LCD 显示一帧图像的扫描示意图：

其中有几个重要参数：
HSYNC ：行同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一行了。
VSYNC ：帧同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一帧图像了。
HBP ：行显示后沿，左边黑框宽度。
HFP：行显示前沿，右边黑框宽度。
VBP：帧显示后沿，上边黑框宽度。
VFP：帧显示前沿，下边黑框宽度。
RGB LCD 屏幕时序
如下是显示一行的时序图：

HSYNC：行同步信号，当此信号有效的时候就表示开始显示新的一行数据。
HSPW：行同步信号宽度，也就是 HSYNC 信号持续时间。HSYNC 信号不是一个脉冲，而是需要持续一段时间才是有效的，单位为 CLK（如果是 DE 同步的 LCD 则不需控制 HSYNC ，但是计时时序时要考虑其所占时间）。
HBP：行显示后沿，单位是 CLK。
HOZVAL：行有效显示区域，假如屏幕分辨率为 1024600，那么 HOZVAL 就是 1024，单位为 CLK。
HFP：行显示前沿，单位是 CLK。
当 HSYNC 信号发出以后，需要等待 HSPW+HBP 个 CLK 时间才会接收到真正有效的像素数据。当显示完一行数据以后需要等待 HFP 个 CLK 时间才能发出下一个 HSYNC 信号，所以显示一行所需要的时间就是：HSPW + HBP + HOZVAL + HFP。
如下是显示一帧的时序：

VSYNC：帧同步信号，当此信号有效的时候就表示开始显示新的一帧数据。
VSPW：帧同步信号宽度，也就是 VSYNC 信号持续时间，单位为 1 行的时间（如果是 DE 同步的 LCD 则不需控制 VSYNC ，但是计时时序时要考虑其所占时间）。
VBP：帧显示后沿，单位为 1 行的时间。
LINE：帧有效显示区域，假如屏幕分辨率为 1024600，那么 LINE 就是 600 行的时间。
VFP：帧显示前沿，单位为 1 行的时间。
显示一帧所需要的时间就是：VSPW+VBP+LINE+VFP 个行时间，最终的计算公式：T = (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)。
在使用一款 RGB LCD 屏的时候需要知道：HSPW（行同步）、HBP（行显示后沿）、HOZVAL(行有效显示区域)、HFP（行显示前沿）、VSPW（场同步）、VBP（场显示后沿）、LINE(场有效显示区域)和 VFP（场显示后沿）。
LCD 同步模式
RGB LCD 液晶屏一般有两种数据同步方式：行场同步模式（HV Mode）、数据使能同步模式（DE Mode）；行场同步模式采用行同步信号（HSYNC）和场同步信号（VSYNC）作为数据的同步信号，有些 LCD 还需要在数据有效时设置 DE 为有效（高电平），如上两幅图就是行场同步模式；数据使能同步模式使用 DE 信号进行数据同步，当同时扫描到帧有效显示区域和行有效显示区域时（无效显示区域包括了 HSPW、VSPW 在内），DE 信号才设置为有效（高电平），选择 DE 同步模式时，行场同步信号 VS 和 HS 一般保持为高电平。

硬件设计

RGB-LCD 接口部分的原理图如下图所示：
在这里插入图片描述

系统框图

系统框图分为4个部分：

全局分为，因为系统中存在多个时钟，所以需要对复位信号进行延长，以确保不同时钟域的模块均能收到复位信号。
时钟分频模块，负责将系统时钟分频，得到合适的 LCD 时钟。
LCD 显示模块，根据 LCD 接口模块提供的坐标输出对应的像素颜色，从而在 LCD 上显示相应的图案。
LCD 接口驱动模块，按照 LCD 接口时序控制 LCD 显示。

代码编写

全局复位模块

全局复位模块可以参考14 FIFO IP核实验中的“全局复位模块”部分。

时钟分频模块

时钟分频模块参考06 分频器设计实验中的“任意分频器实现”部分。

LCD屏幕接口驱动模块设计

LCD屏幕接口驱动模块主要是根据 LCD 屏幕接口时序驱动 RGB-LCD 显示屏，将 LCD 显示模块输出的像素信息按照 RGB-LCD 的 DE 同步时序显示到 LCD 显示器上，如下是 LCD 接口模块的框图：
在这里插入图片描述

LCD 接口驱动模块一共包含3路输入信号和9路输出信号；其中输入信号的功能如下：

lcd_pclk：时钟信号，为 RGB-LCD 显示屏接口模块的工作时钟。
g_rst_n ：复位信号，低电平有效，由全局复位模块提供。
pixel_data：像素点色彩信息数据，由图像显示模块提供。
输出信号的功能如下：
pixel_xpos：输出下一个时钟所显示的像素点x轴位置。
pixel_ypos：输出下一个时钟所显示的像素点y轴位置。
data_req：像素数据请求信号，同pixel_xpos和pixel_ypos一起输出。
lcd_de：RGB数据有效信号。
lcd_hs： LCD 行同步信号，因为采用 DE 模式，所以可直接赋值为1。
lcd_vs： LCD 场同步信号，因为采用 DE 模式，所以可直接赋值为1。
lcd_bl： LCD 背光控制信号，直接赋值为 1。
lcd_clk：LCD 时钟信号。
lcd_rst：LCD 复位信号，直接赋值为 1。
lcd_rgb：输出给 LCD 屏幕的 RGB 数据。
这里假设 LCD 屏幕的参数如下：

对应的时序图如下：
在这里插入图片描述
屏幕行周期为1056个像素，所以行计数器范围为0~1055，其中0~215为行同步+行显示后沿，216~1015为行显示区域，1016~1055为行显示前沿。
屏幕帧显示周期为525个行，所以帧计数器范围为0~524，其中0~34为帧同步+帧显示后沿，35~514为帧显示有效区域，515~524为帧显示前沿。
lcd_de 信号在行和帧同时有效时拉高。
data_req、pixel_xpos、pixel_ypos 信号提前一个时钟周期给出。

LCD屏幕接口模块代码如下：

module lcd_driver #(
	parameter HSPW = 128,				//行同步信号宽度
	parameter HBP = 88,					//行显示后沿
	parameter HOZVAL = 800,				//行有效显示区域
	parameter HFP = 40,					//行显示前沿

	parameter VSPW = 2,					//帧同步信号宽度
	parameter VBP = 33,					//帧显示后沿
	parameter LINE = 480,				//帧有效显示区域
	parameter VFP = 10,					//帧显示前沿

	parameter DATA_REQ_ADVANCE = 1		//数据请求提前量
)(
	input g_rst_n,						//复位
	input lcd_pclk,						//时钟

	//显示控制模块接口
	output [32:0] pixel_xpos,			//接下来要显示的横坐标
	output [32:0] pixel_ypos,			//接下来要显示的纵坐标
	output data_req,					//显示数据请求
	input [23:0] pixel_data,			//显示数据

	//RGB屏幕接口
	output lcd_de,						//LCD 数据使能信号
	output lcd_hs,						//LCD 行同步信号
	output lcd_vs,						//LCD 场同步信号
	output lcd_bl,						//LCD 背光控制信号
	output lcd_clk,						//LCD 像素时钟
	output lcd_rst,						//LCD 复位
	output [23:0] lcd_rgb				//LCD RGB888 颜色数据
);

//行扫描周期
localparam HTOTAL = HSPW + HBP + HOZVAL + HFP;
//帧扫描周期
localparam VTOTAL = VSPW + VBP + LINE + VFP;

//行计数器
reg [31:0] h_cnt;
//场计数器
reg [31:0] v_cnt;

//RGB LCD 采用DE模式时，行场同步信号拉高即可
assign lcd_hs = 1'b1;
assign lcd_vs = 1'b1;

//LCD背光控制信号
assign lcd_bl = 1'b1;
//LCD复位
assign lcd_rst= 1'b1;
//LCD时钟
assign lcd_clk = lcd_pclk;

//LCD 数据使能信号
assign lcd_de = ((h_cnt >= (HSPW + HBP)) && (h_cnt < (HSPW + HBP + HOZVAL))) &&
	((v_cnt >= (VSPW + VBP)) && (v_cnt < (VSPW + VBP + LINE))) ? 1 : 0;
//RGB888数据输出
assign lcd_rgb = lcd_de ? pixel_data : 24'd0;

//像素数据请求信号
assign data_req = ((h_cnt >= (HSPW + HBP - DATA_REQ_ADVANCE)) && (h_cnt < (HSPW + HBP + HOZVAL - DATA_REQ_ADVANCE))) &&
	((v_cnt >= (VSPW + VBP)) && (v_cnt < (VSPW + VBP + LINE))) ? 1 : 0;
//像素请求坐标
assign pixel_xpos = data_req ? (h_cnt + DATA_REQ_ADVANCE - HSPW - HBP) : 0;
assign pixel_ypos = data_req ? (v_cnt - VSPW - VBP) : 0;

//行计数器对像素计数
always @(posedge lcd_pclk) begin
	if(!g_rst_n)
		h_cnt <= 0;
	else if(h_cnt < (HTOTAL - 1))
		h_cnt <= h_cnt + 1;
	else
		h_cnt <= 0;
end

//帧计数器对行计数
always @(posedge lcd_pclk) begin
	if(!g_rst_n)
		v_cnt <= 0;
	else if(h_cnt == (HTOTAL - 1)) begin
		if(v_cnt < (VTOTAL - 1))
			v_cnt <= v_cnt + 1;
		else
			v_cnt <= 0;
	end
end

endmodule

LCD彩条显示模块设计

LCD彩条显示模块根据LCD接口驱动模块给的像素坐标和像素请求信号输出像素的颜色，其系统框图如下：
在这里插入图片描述
其时序图如下：

它将一个800*480的LCD分为了5个部分，0~159显示WHITE，160~319列显示BLACK，320~479显示RED，480~639显示GREEN，640~799显示BLUE，其对应的代码如下：

module lcd_display #(
	parameter HOZVAL = 800,				//行有效显示区域
	parameter LINE = 480				//帧有效显示区域
)(
	input g_rst_n,						//复位
	input lcd_pclk,						//时钟

	input [32:0] pixel_xpos,			//接下来要显示的横坐标
	input [32:0] pixel_ypos,			//接下来要显示的纵坐标
	input data_req,						//显示数据请求
	output reg [23:0] pixel_data		//显示数据
);

//颜色定义
localparam WHITE = 24'hFFFFFF;		//白色
localparam BLACK = 24'h000000;		//黑色
localparam RED = 24'hFF0000;		//红色
localparam GREEN = 24'h00FF00;		//绿色
localparam BLUE = 24'h0000FF;		//蓝色

always @(posedge lcd_pclk) begin
	if(!g_rst_n)
		pixel_data <= BLACK;
	else if(data_req == 1'b1) begin
		if((pixel_xpos >= 0) && (pixel_xpos < (HOZVAL / 5 * 1)))
			pixel_data <= WHITE;
		else if((pixel_xpos >= (HOZVAL / 5 * 1)) && (pixel_xpos < (HOZVAL / 5 * 2)))
			pixel_data <= BLACK;
		else if((pixel_xpos >= (HOZVAL / 5 * 2)) && (pixel_xpos < (HOZVAL / 5 * 3)))
			pixel_data <= RED;
		else if((pixel_xpos >= (HOZVAL / 5 * 3)) && (pixel_xpos < (HOZVAL / 5 * 4)))
			pixel_data <= GREEN;
		else
			pixel_data <= BLUE;
	end
	else
		pixel_data <= BLACK;
end

endmodule

顶层模块设计

顶层模块用于例化这些子模块，并将这些子模块联系到一起，形成一个完整的系统，其代码如下：

module lcd_rgb_colorbar #(
	parameter HSPW = 128,				//行同步信号宽度
	parameter HBP = 88,					//行显示后沿
	parameter HOZVAL = 800,				//行有效显示区域
	parameter HFP = 40,					//行显示前沿

	parameter VSPW = 2,					//帧同步信号宽度
	parameter VBP = 33,					//帧显示后沿
	parameter LINE = 480,				//帧有效显示区域
	parameter VFP = 10,					//帧显示前沿

	parameter PCLK_DIV = 2,				//像素时钟分频系数

	parameter RESET_KEEP = 20			//复位信号保持多少个像素时钟周期
)(
	input sys_clk,						//时钟信号
	input sys_rst_n,					//复位信号

	//RGB屏幕接口
	output lcd_de,						//LCD 数据使能信号
	output lcd_hs,						//LCD 行同步信号
	output lcd_vs,						//LCD 场同步信号
	output lcd_bl,						//LCD 背光控制信号
	output lcd_clk,						//LCD 像素时钟
	output lcd_rst,						//LCD 复位
	output [23:0] lcd_rgb				//LCD RGB888 颜色数据
);

//数据请求提前一个像素时钟给出
localparam DATA_REQ_ADVANCE = 1;

//接下来要显示的横坐标，提前DATA_REQ_ADVANCE个像素时钟输出
wire [32:0] pixel_xpos;
//接下来要显示的纵坐标，提前DATA_REQ_ADVANCE个像素时钟输出
wire [32:0] pixel_ypos;
//显示数据请求，提前DATA_REQ_ADVANCE个像素时钟输出
wire data_req;
//需要显示数据
wire [23:0] pixel_data;

//像素时钟
wire pclk;

//全局复位信号
wire g_rst_n;
//复位忙标志
wire rst_busy;

//将系统时钟分频，得到像素时钟
clk_div #(
	//参数列表
	.DIV(PCLK_DIV)								//分频系数
)
u_clk_div_inst0(
	.sys_clk(sys_clk),							//系统时钟
	.sys_rst_n(sys_rst_n),						//外部输入的复位信号

	.out_clk(pclk)
);

//将复位信号延长，以确保所有模块都能复位
global_rst #(
	.RESET_KEEP_CYCLE(RESET_KEEP * PCLK_DIV),	//复位信号最小保持周期
	.BUSY_KEEP_CYCLE(10)						//复位忙标志保持周期
)
u_global_rst_inst0(
	.sys_clk(sys_clk),							//系统时钟
	.sys_rst_n(sys_rst_n),						//外部输入的复位信号

	.global_rst_n(g_rst_n),						//全局复位信号
	.rst_busy(rst_busy)							//复位忙标志
);

lcd_display #(
	.HOZVAL(HOZVAL),						//行有效显示区域
	.LINE(LINE)								//帧有效显示区域
)
u_lcd_display_inst0(
	.g_rst_n(g_rst_n),						//全局复位
	.lcd_pclk(pclk),						//像素时钟

	.pixel_xpos(pixel_xpos),				//接下来要显示的横坐标
	.pixel_ypos(pixel_ypos),				//接下来要显示的纵坐标
	.data_req(data_req),					//显示数据请求
	.pixel_data(pixel_data)					//显示数据
);

//LCD屏幕接口
lcd_driver #(
	.HSPW(HSPW),							//行同步信号宽度
	.HBP(HBP),								//行显示后沿
	.HOZVAL(HOZVAL),						//行有效显示区域
	.HFP(HFP),								//行显示前沿

	.VSPW(VSPW),							//帧同步信号宽度
	.VBP(VBP),								//帧显示后沿
	.LINE(LINE),							//帧有效显示区域
	.VFP(VFP),								//帧显示前沿

	.DATA_REQ_ADVANCE(DATA_REQ_ADVANCE)		//数据请求提前量
) 
u_lcd_driver_inst0(
	.g_rst_n(g_rst_n),						//全局复位
	.lcd_pclk(pclk),						//像素时钟

	//显示控制模块接口
	.pixel_xpos(pixel_xpos),				//接下来要显示的横坐标
	.pixel_ypos(pixel_ypos),				//接下来要显示的纵坐标
	.data_req(data_req),					//显示数据请求
	.pixel_data(pixel_data),				//显示数据

	//RGB屏幕接口
	.lcd_de(lcd_de),						//LCD 数据使能信号
	.lcd_hs(lcd_hs),						//LCD 行同步信号
	.lcd_vs(lcd_vs),						//LCD 场同步信号
	.lcd_bl(lcd_bl),						//LCD 背光控制信号
	.lcd_clk(lcd_clk),						//LCD 像素时钟
	.lcd_rst(lcd_rst),						//LCD 复位
	.lcd_rgb(lcd_rgb)						//LCD RGB888 颜色数据
);

endmodule

仿真激励代码编写

仿真激励代码用于产生仿真所需的激励信号，它主要分为3部分：初始化复位、周期时钟产生、例化仿真IP核，其代码如下：

`timescale 1ns / 1ps

module tb_lcd_rgb_colorbar();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;

wire lcd_de;
wire lcd_hs;
wire lcd_vs;
wire lcd_bl;
wire lcd_clk;
wire lcd_rst;
wire [23:0] lcd_rgb;

initial begin
	sys_clk = 1'b0;
	sys_rst_n = 1'b0;
	#200
	sys_rst_n = 1'b1;
end

always #10 sys_clk = ~sys_clk;

lcd_rgb_colorbar u_lcd_rgb_colorbar(
	.sys_clk(sys_clk),
	.sys_rst_n(sys_rst_n),

	.lcd_de(lcd_de),
	.lcd_hs(lcd_hs),
	.lcd_vs(lcd_vs),
	.lcd_bl(lcd_bl),
	.lcd_clk(lcd_clk),
	.lcd_rst(lcd_rst),
	.lcd_rgb(lcd_rgb)
);

endmodule

约束输入

create_clock -period 20.000 -name sys_clk -waveform {0.000 10.000} [get_ports sys_clk]

set_property -dict {PACKAGE_PIN R4 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U7 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[1]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[2]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[3]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[4]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[5]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[6]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN M16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[7]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[8]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[9]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[10]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[11]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[12]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[13]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[14]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[15]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[16]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[17]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[18]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[19]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[20]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[21]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[22]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[23]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_hs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_vs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_de]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W9 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports lcd_bl]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y9 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports lcd_rst]