### 图片显示系统设计
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#### 实验任务
* 任务：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成图片显示系统设计并观察调试结果
* 要求：将小脚丫的Logo转换成单色图片数据，驱动底板上1.8寸彩色液晶屏显示出来
* 解析：将单色图片的数据存储到rom中，驱动1.8寸将图片刷到液晶屏上。
#### 实验目的
扩展板卡上集成了1.8寸彩色液晶屏TFT_LCD模块，大家可以驱动LCD显示文字、图片或动态的波形。本实验主要学习1.8寸串行彩色液晶屏的驱动设计，然后将小脚丫Logo处理显示，完成图片显示系统的总体设计。
* 了解1.8寸串行采样液晶屏的原理及驱动设计
* 完成图片显示系统设计实现
#### 设计框图
根据前面的实验解析我们可以得知，该设计可以拆分成两个功能模块实现，
* LCD_RGB：1.8寸串行液晶屏驱动模块。
* LCD_RAM：用于存储单色图片数据。
{{:12-Top-Down层次设计.png?500|Top-Down层次设计}} {{:12-模块结构设计.png?500|模块结构设计}}
#### 实验原理
##### 液晶屏介绍
{{:12-液晶屏规格书.png?800|液晶屏规格书}}
查看底板上集成的1.8寸串行彩色液晶屏规格书，屏幕采用ST7735S的驱动芯片，接下来我们主要根据ST7735S的芯片手册来了解其工作原理和驱动方法。
ST7735S为132RGB x 162像素点 262K 控制器/驱动器，芯片可以直接跟外部处理器连接，支持串行SPI通信和8/9/16/18位并行通信（本液晶屏集成ST7735S时没有留并行接口，所以只能使用串行通信），详细参数请参考数据手册。
{{:12-液晶屏驱动芯片原理示意.png?600|液晶屏驱动芯片原理示意}}
ST7735S支持不同位宽的并行通信格式。
{{:12-ST7735S通信格式.png?800|ST7735S通信格式}}
在控制器给屏幕刷屏时，根据MV、MX、MY的配置支持8种不同方向的刷屏模式。
{{:12-ST7735S刷屏模式.png?600|ST7735S部分刷屏模式}}
支持大量功能指令，部分系统功能指令列表如下
{{:12-ST7735S功能指令.png?800|ST7735S部分功能指令}}
更多的内容这里就不一一介绍了，感兴趣的同学可以详细阅读ST7735S芯片手册。
##### 液晶屏硬件连接
STEP BaseBoard V3.0底板上的1.8寸串行彩色液晶屏模块电路，其电路图如下：
{{:12-液晶屏硬件电路.png?600|1.8寸串行彩色液晶屏硬件电路}}
底板上的1.8寸串行彩色液晶屏电路和VGA显示电路复用部分FPGA管脚，两者不能同时使用，当使用1.8寸串行彩色液晶屏时，DISP_SEL信号置高，驱动1.8寸串行彩色液晶屏使能同时点亮背光，DISP_2~ DISP_5分别对应RESET、D/C、SDA、SCK管脚，最后FPGA驱动1.8寸液晶屏完成屏显示控制即可。
##### 液晶屏驱动设计
要驱动液晶屏需要先了解液晶屏的驱动流程，可以从液晶屏驱动芯片ST7735S的芯片手册上获取，也可以到网上找找有没有别人使用同类液晶屏的案例，或者向卖方问问有没有相关资料提供，这里我们找到了一个用51单片机驱动的程序例程，例程仅供参考，需要根据例程中的配置到芯片手册中查找确认，不可以直接套用。
首先完成液晶屏初始化操作，51程序流程如下：
void ST7735_LAIBAO177_INITIAL ()
{
//-----------ST7735R Reset Sequence----------------//
RES =1; delay (1); //Delay 1ms
RES =0; delay (1); //Delay 1ms
RES =1; delay (120); //Delay 120ms
//----------End ST7735R Reset Sequence ------------//
LCD_WriteCommand(0x11); //Sleep out
delay(120); //Delay 120ms
//---------ST7735S Frame Rate-------------------//
LCD_WriteCommand(0xB1);
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteCommand(0xB2);
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteCommand(0xB3);
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C);
LCD_WriteData(0x05); LCD_WriteData(0x3C); LCD_WriteData(0x3C);
//-----------End ST7735S Frame Rate---------------//
LCD_WriteCommand(0xB4); //Dot inversion
LCD_WriteData(0x03);
//-----------ST7735S Power Sequence---------------//
LCD_WriteCommand(0xC0);
LCD_WriteData(0x28); LCD_WriteData(0x08); LCD_WriteData(0x04);
LCD_WriteCommand(0xC1);
LCD_WriteData(0XC0);
LCD_WriteCommand(0xC2);
LCD_WriteData(0x0D); LCD_WriteData(0x00);
LCD_WriteCommand(0xC3);
LCD_WriteData(0x8D); LCD_WriteData(0x2A);
LCD_WriteCommand(0xC4);
LCD_WriteData(0x8D); LCD_WriteData(0xEE);
//----------End ST7735S Power Sequence----------//
LCD_WriteCommand(0xC5); //VCOM
LCD_WriteData(0x18); //1a
LCD_WriteCommand(0x36); //MX, MY, RGB mode
LCD_WriteData(0xC0);
//-----------ST7735S Gamma Sequence-----------//
LCD_WriteCommand(0xE0);
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x22); LCD_WriteData(0x07);
LCD_WriteData(0x0A); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x30);
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2A); LCD_WriteData(0x28);
LCD_WriteData(0x26); LCD_WriteData(0x2E); LCD_WriteData(0x3A);
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x03);
LCD_WriteData(0x13);
LCD_WriteCommand(0xE1);
LCD_WriteData(0x04); LCD_WriteData(0x16); LCD_WriteData(0x06);
LCD_WriteData(0x0D); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x26);
LCD_WriteData(0x23); LCD_WriteData(0x27); LCD_WriteData(0x27);
LCD_WriteData(0x25); LCD_WriteData(0x2D); LCD_WriteData(0x3B);
LCD_WriteData(0x00); LCD_WriteData(0x01); LCD_WriteData(0x04);
LCD_WriteData(0x13);
//------------End ST7735S Gamma Sequence----------//
LCD_WriteCommand(0x3A); //65k mode
LCD_WriteData(0x05);
LCD_WriteCommand(0x29); //Display on
}
创建存储器，将初始化过程中写的所有指令和数据存储，同时存储的还有指令或数据标志，例如初始化第1条指令为8'h11，我们增加最高位1‘b0组成9位位宽数据。存储器部分指令和数据如下：
initial begin //LCD初始化的命令及数据
reg_init[ 0] = {1'b0,8'h11}; //最高位为0，表示低8位为指令
reg_init[ 1] = {1'b0,8'hb1};
reg_init[ 2] = {1'b1,8'h05}; //最高位为1，表示低8位为数据
reg_init[ 3] = {1'b1,8'h3c};
reg_init[ 4] = {1'b1,8'h3c};
从51例程中可以看到，整个初始化过程都在给液晶屏写指令或数据，通过查看写指令或写数据的时序发现，唯一不同的就是对A0(对应底板液晶屏模块中的D/C信号)的控制，程序实现如下：
void LCD_WriteXXX(uint dat)
{ int i;
A0=0; //写指令，如果写数据 A0=1;
CSB=0; //液晶屏使能
for(i=0;i<8;i++)
{
if(dat &0x80) SDA=1;
else SDA=0;
SCL=0; SCL=1;
dat <<=1;
}
CSB=1;
}
FPGA驱动液晶屏的设计使用状态机完成，将写数据与写指令的SPI时序整合成一个状态，另加一位指令数据控制位，程序实现如下：
WRITE:begin //WRITE状态，将数据按照SPI时序发送给屏幕
if(cnt_write >= 6'd17) cnt_write <= 1'b0;
else cnt_write <= cnt_write + 1'b1;
case(cnt_write)
6'd0: begin lcd_dc <= data_reg[8]; end //9位数据最高位为命令数据控制位
6'd1: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[7]; end //先发高位数据
6'd2: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd3: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[6]; end
6'd4: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd5: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[5]; end
6'd6: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd7: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[4]; end
6'd8: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd9: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[3]; end
6'd10: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd11: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[2]; end
6'd12: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd13: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[1]; end
6'd14: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd15: begin lcd_clk <= LOW; lcd_din <= data_reg[0]; end //后发低位数据
6'd16: begin lcd_clk <= HIGH; end
6'd17: begin lcd_clk <= LOW; state <= DELAY; end //
default: state <= IDLE;
endcase
end
初始化指令和数据都放到存储器中了，数据写入的SPI串行时序也已经设计成了一个状态，初始化状态只需要在复位后将存储器中的指令或数据通过WRITE状态发送给液晶屏，程序实现如下：
INIT:begin //初始化状态
if(cnt_init==3'd4) begin
if(cnt==INIT_DEPTH) cnt_init <= 1'b0;
else cnt_init <= cnt_init;
end else cnt_init <= cnt_init + 1'b1;
case(cnt_init)
3'd0: lcd_res <= 1'b0; //复位有效
3'd1: begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end
3'd2: lcd_res <= 1'b1; //复位恢复
3'd3: begin num_delay<=16'd3000; state<=DELAY; state_back<=INIT; end
3'd4: if(cnt>=INIT_DEPTH) begin //当62条指令及数据发出后，配置完成
cnt <= 16'd0; state <= MAIN;
end else begin
cnt <= cnt + 16'd1; data_reg <= reg_init[cnt];
if(cnt==16'd0) num_delay <= 16'd50000; //第一条指令需要较长延时
else num_delay <= 16'd50;
state <= WRITE; state_back <= INIT;
end
default: state <= IDLE;
endcase
end
初始化完成，进入刷屏状态，刷屏数据写入前首先进行区域坐标的定位，然后刷写数据，图片采用单色显示，图片ram中每位数表示一个液晶屏一个像素点的亮还是灭，彩色液晶屏本实验采用16bit格式，即需要16bit数据决定像素的颜色，16bit数据分两次发送，最终从ram模块中获取的数据每位数据都要转换成16bit的数据，0转换成背景色对应的数据，1转换成顶层色对应的数据，程序实现如下：
SCAN:begin //刷屏状态，从RAM中读取数据刷屏
case(cnt_scan)
3'd0: if(cnt >= 11) begin //确定刷屏的区域坐标，这里为全屏
cnt <= 16'd0;
cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1;
end else begin
cnt <= cnt + 16'd1;
data_reg <= reg_setxy[cnt];
num_delay <= 16'd50;
state <= WRITE; state_back <= SCAN;
end
3'd1: begin ram_clk_en<=HIGH;ram_addr<=y_cnt;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end
3'd2: begin cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end //延时一个时钟
3'd3: begin ram_clk_en<=LOW;ram_data_r<=ram_data;cnt_scan<=cnt_scan+1'b1; end
3'd4: begin //每个像素点需要16bit的数据，SPI每次传8bit，两次分别传送高8位和低8位
if(x_cnt>=LCD_W) begin //当一个数据(一行屏幕)写完后，
x_cnt <= 8'd0;
if(y_cnt>=LCD_H) begin y_cnt <= 8'd0; cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1; end //如果是最后一行就跳出循环
else begin y_cnt <= y_cnt + 1'b1; cnt_scan <= 3'd1; end //否则跳转至RAM时钟使能，循环刷屏
end else begin
if(high_word)
//根据相应bit的状态判定显示顶层色或背景色,根据high_word的状态判定写高8位或低8位
data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[15:8]:color_b[15:8])};
else begin
data_reg <= {1'b1,(ram_data_r[x_cnt]? color_t[7:0]:color_b[7:0])};
x_cnt <= x_cnt + 1'b1;
end //
high_word <= ~high_word; //high_word的状态翻转
num_delay <= 16'd50; //设定延时时间
state <= WRITE; //跳转至WRITE状态
state_back <= SCAN; //执行完WRITE及DELAY操作后返回SCAN状态
end
end
3'd5: begin cnt_scan <= 1'b0; state <= MAIN; end
default: state <= IDLE;
endcase
end
##### 系统总体实现
液晶屏驱动模块的数据来源于图片数据的ram模块，这些数据由图片取模得到，使用图片取模软件，将图片载入软件，输出数据类型选择C语言数组，根据液晶屏驱动实际情况配置对应的扫描模式，输出灰度选择单色，调整最大宽度和高度符合液晶屏要求，最后点击保存生成需要的文件。
{{:12-取模软件参数配置.png?600|取模软件参数配置}}
打开生成的文件，数据格式如下，是C语言的格式
const unsigned char gImage_11[1990] = { 0X10,0X01,0X00,0X80,0X00,0X7C,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0XF8,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X07,0XFF,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,
使用编辑器的查找替换功能，将数据处理成下图格式
132'h00000000000000000000000000000000,
132'h00000000000000000000000000000000,
132'h00000000000000000000000000000000,
132'h0000000000000000F800000000000000,
132'h0000000000000007FF00000000000000,
创建ram模块，将图片数据初始化到ram中，程序实现图下：
module LCD_RAM (input wire [7:0] Address, output reg [131:0] Q);
always @ (*)
case(Address)
8'd0 : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
8'd1 : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
8'd2 : Q = 132'h00000000000000000000000000000000;
8'd3 : Q = 132'h0000000000000000F800000000000000;
8'd4 : Q = 132'h0000000000000007FF00000000000000;
存储图片数据的ram本实验采用分布式ram搭建，前面波形信号发生器实验中讲过ram IP核的例化及使用方法，有兴趣的同学可以自己尝试一下。
在顶层模块中，将两个模块例化并连接，最终完成图片显示系统的总体设计。
综合后的设计框图如下：
{{:12-RTL设计框图.png?800|RTL设计框图}}
#### 实验步骤
- 双击打开Quartus Prime工具软件；
- 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目录选择，设备型号选择，EDA工具选择）；
- 新建文件：File → New → Verilog HDL File，键入设计代码并保存；
- 设计综合：双击Tasks窗口页面下的Analysis & Synthesis对代码进行综合；
- 管脚约束：Assignments → Assignment Editor，根据项目需求分配管脚；
- 设计编译：双击Tasks窗口页面下的Compile Design对设计进行整体编译并生成配置文件；
- 程序烧录：点击Tools → Programmer打开配置工具，Program进行下载；
- 观察设计运行结果。
#### 实验现象
将设计加载到FPGA中，观察底板液晶屏显示，小脚丫的Logo被显示出来了，前面说了1.8寸串行液晶屏支持不同的刷新方向，大家可以调整图片显示的方向
{{:12-实验现象.png?400|实验现象}}