LCD có nhiều ưu điểm như điện áp làm việc thấp, tiêu thụ điện năng thấp, lượng thông tin hiển thị lớn, tuổi thọ cao, tích hợp dễ dàng, dễ di chuyển và ô nhiễm bức xạ điện từ thấp. Nó đã nổi lên trong công nghệ hiển thị và được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, các sản phẩm PDA và các thiết bị cầm tay. Dụng cụ và các sản phẩm và thiết bị điện tử cầm tay khác.
Mạch ổ đĩa LCD là một phần quan trọng của hệ thống hiển thị tinh thể lỏng và là mạch giao tiếp giữa máy tính (hoặc MCU) và bảng điều khiển tinh thể lỏng. Chức năng chính của nó là điều chỉnh pha và giá trị đỉnh của tín hiệu tiềm năng là tín hiệu đầu ra tới các điện cực của thiết bị hiển thị tinh thể lỏng. Tần số và các thông số khác để thiết lập trường điện AC. Do sự khác biệt lớn trong thông số kỹ thuật LCD, phương pháp thông thường là phát triển một mạch ổ đĩa chuyên dụng cho từng loại màn hình LCD. Một thiết kế như vậy lãng phí thời gian và có khả năng tái sử dụng kém. Vì lý do này, cần thiết kế một lõi IP có thể được sử dụng cho hầu hết các mạch ổ đĩa LCD có quy mô nhỏ và cần phải giải quyết vấn đề này bằng cách ghép kênh lõi IP. Hiện nay, chỉ có Yu-Jung Huang và những người khác từ Đại học I-Shou đã thiết kế các lõi IP có thể điều khiển các màn hình LCD có kích thước khác nhau để đạt được chức năng này bằng cách nhúng các bộ vi xử lý nhúng vào hệ thống. Tuy nhiên, bộ vi xử lý nhúng này làm cho hệ thống phức tạp hơn và tốn kém hơn. Lõi IP của mạch điều khiển được thiết kế để điều khiển các màn hình LCD có kích thước khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng FPGA, có thể khắc phục hiệu quả nhược điểm của hệ thống mạch phức tạp và chi phí cao.
Cấu trúc hệ thống lõi IP
Hình 1 Cấu trúc hệ thống lõi IP
Sơ đồ bố trí xếp tầng lõi IP
Hình 2 Sắp xếp tầng lõi IP
Kết quả mô phỏng chức năng điều khiển dòng
Hình 3 Kết quả mô phỏng chức năng điều khiển hàng
Kết quả mô phỏng hàm điều khiển cột
Hình 4 kết quả mô phỏng chức năng điều khiển cột
Đặc điểm kỹ thuật thiết kế
Để đáp ứng nhu cầu thực tế của hầu hết các ứng dụng hiển thị LCD nhỏ ngày nay, chip lõi IP trình điều khiển LCD được thiết kế trong bài báo này có 64 đầu ra (hàng) và 64 đầu ra SEG (cột), và có tốc độ 8 bit cao giao diện MCU song song. Và giao diện nối tiếp, chip chứa RAM lưu trữ dữ liệu hiển thị và có 10 đầu điều khiển được thiết kế đặc biệt, có thể điều khiển thuận tiện và linh hoạt. Nó chủ yếu có các chức năng chính sau:
1. Cung cấp tín hiệu thời gian quét và dữ liệu tín hiệu hiển thị cho màn hình tinh thể lỏng;
2, hỗ trợ kết nối trực tiếp với MCU dưới dạng xe buýt;
3, có thể lái xe quy mô khác nhau của LCD (n & TImes; m), n có thể là một giá trị liên tục (n = 0 ~ 63), m chỉ có thể mất một bội số của 8 (m = 8k, k có một số tự nhiên);
4. Hỗ trợ các tầng giữa các lõi IP để điều khiển các màn hình LCD lớn hơn, hỗ trợ lên đến 4 tầng liên ngân hàng lõi IP và tầng liên tầng;
5, có thể cung cấp một phạm vi rộng hơn của điện áp đầu ra ổ đĩa để thích nghi với các thiết bị LCD khác nhau;
6, để cung cấp hình ảnh trong hình, màn hình chia đôi màn hình và các chức năng khác.
Thiết kế lõi IP
Trong bài báo này, theo phương pháp thiết kế "từ trên xuống", trước tiên hãy chia chip thành các chức năng phân cấp, trong khi đề cập đến trải nghiệm thiết kế chip điều khiển LCD hiện có và kết hợp phương pháp thiết kế "từ dưới lên" để thiết kế một số mô-đun. Cuối cùng, Theo khuôn khổ thiết kế hệ thống, mỗi module được điều phối và xác minh chức năng tổng thể của chip được thực hiện để đáp ứng các yêu cầu của đặc tả thiết kế.
cấu trúc hệ thống
Cấu trúc của hệ thống lõi IP được thiết kế trong bài báo này được thể hiện trong Hình 1. Lõi IP chủ yếu bao gồm các mô-đun sau: mô-đun quét đường và mô-đun trình điều khiển tín hiệu cột, bộ chuyển đổi mức, bộ đếm vòng số có thể đặt trước, mô-đun dữ liệu chốt, logic điều khiển mô-đun, hiển thị dữ liệu RAM và mô-đun giải mã địa chỉ, mô-đun Giao diện MCU. Một số mô-đun lớn này cũng có thể được chia nhỏ thành nhiều mô-đun phụ.
Mỗi thiết kế mô-đun
Mô-đun giao diện MCU
Mô-đun giao diện MCU là giao diện cho giao tiếp giữa lõi IP và bộ điều khiển bên ngoài (MCU) và là kênh truyền dữ liệu. MCU viết lệnh, đọc trạng thái hoặc hiển thị dữ liệu trên chip trình điều khiển LCD thông qua giao diện này. Đồng thời, giao diện cũng chấp nhận điều khiển bộ giải mã lệnh, để đọc và ghi và các hoạt động nội bộ kết hợp. Chip này được thực hiện bởi logic phức hợp nội bộ phức tạp hơn và mạch logic tuần tự, có thể tương thích với hai tín hiệu điều khiển MCU chính và hỗ trợ hai chế độ hoạt động dữ liệu nối tiếp / song song.
Mô-đun này bao gồm một số mô-đun phụ thường được sử dụng trong mô-đun giao diện MCU của mạch điều khiển LCD thông dụng hiện có, chẳng hạn như mô-đun dữ liệu (8-bit), mô-đun phát hiện trạng thái bận, bộ điều khiển đọc / ghi -module và mô-đun phụ phát hành MCU. Một mô đun điều khiển dòng thác và cột điều khiển tầng mới đã được thêm vào. Bus dữ liệu chủ yếu được sử dụng cho trao đổi dữ liệu nội bộ và bên ngoài; submodule phát hiện trạng thái bận được sử dụng để xác định trạng thái của MCU, tạo ra tín hiệu bận hệ thống để điều phối các hoạt động đọc và ghi tín hiệu và nhận các tín hiệu đặt lại bên trong / bên ngoài; môđun điều khiển đọc và ghi được sử dụng để tạo chính xác Trình tự kiểm soát đọc-ghi; MCU phát hành mô-đun phụ chức năng là thông qua sự kết hợp logic, trong chip để thực hiện quá trình "đọc-sửa đổi-ghi", phát hành MCU để MCU có thể thực hiện các hoạt động khác cùng một lúc; và bộ điều khiển tầng mới Chức năng chính của mô-đun là đạt được nối nối hàng và nối cột giữa các lõi IP. Có thể hỗ trợ tối đa 16 kết nối IP (4 hàng và 4 hàng). CS0 ~ CS1 là các cổng điều khiển tầng, và CS2 ~ CS3 là các mức cột. Kiểm soát chung. Ví dụ, giả sử rằng có một màn hình LCD (128 & TImes; 256), có thể được điều khiển bởi 8 lõi IP. Khi cài đặt được tạo, CS là 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, có thể cấu thành 2 & TImes; Điều khiển mảng lõi IP. Sơ đồ bố trí của nó được thể hiện trong Hình 2.
Hiển thị RAM dữ liệu và mô-đun giải mã địa chỉ
Mô-đun này chủ yếu được sử dụng để lưu trữ dữ liệu được hiển thị và hoạt động như một bộ đệm giữa giao diện MCU và mạch điều khiển tín hiệu để đảm bảo đầu ra ổn định của dữ liệu hiển thị.
Mô-đun này bao gồm hai mô-đun phụ: một mảng RAM và bộ giải mã địa chỉ để lưu trữ dữ liệu hiển thị. Đầu tiên, địa chỉ cột được cung cấp bởi mạch địa chỉ cột, một cột của các ô nhớ RAM 8 bit được chọn bởi bộ giải mã địa chỉ cột và MCU đọc / ghi thông qua giao diện; sau đó, bộ giải mã địa chỉ hàng quét RAM theo đơn vị hàng. Kết hợp với mạch chốt dữ liệu hiển thị, toàn bộ hàng dữ liệu có thể được xuất ra và xuất ra màn hình tinh thể lỏng để hiển thị bằng mạch điều khiển điện cực.
Mô-đun dữ liệu chốt
Mô-đun này chứa hai mô-đun phụ: cột điều khiển số chốt mô-đun phụ và mô-đun chốt ổ đĩa. Bảng điều khiển số cột điều khiển chốt gồm có các chốt dữ liệu 8 bit song song k. Chức năng chính là chốt dữ liệu trên bus dữ liệu và xuất nó từ RAM sang RAM dưới tín hiệu điều khiển và tín hiệu đồng hồ của mô-đun logic điều khiển. Các tín hiệu dữ liệu hiển thị trên bus dữ liệu bit tương ứng được chốt trong các chốt dữ liệu 8 bit tương ứng. Dữ liệu 64 bit yêu cầu 8 lần và 8 bit mỗi lần. Mô-đun chốt chốt trình điều khiển là một chốt ổ 64 bit được tạo thành bởi 64 chốt 1 bit được kết nối song song. Vai trò của nó là đặt dữ liệu 8-bit trên 8 dưới tín hiệu điều khiển và tín hiệu đồng hồ của mô-đun logic điều khiển. Dữ liệu m-bit truyền trong chốt được chốt tất cả cùng một lúc, và sau đó nhập vào mô-đun trình điều khiển điện cực tín hiệu cột.
Mô-đun logic điều khiển
Vai trò chính của mô-đun này là để kiểm soát truyền dữ liệu tín hiệu và chọn số lượng các dòng tín hiệu cột. Mô-đun chốt điều khiển số cột, mô-đun chốt ổ đĩa và bộ tạo xung nhịp có thể được điều khiển bởi đầu vào điều khiển số cột M để đạt được các chức năng áp dụng cho các kích cỡ màn hình LCD khác nhau. Theo nhu cầu, bằng cách nhập các giá trị khác nhau vào đầu vào điều khiển số cột M, nó điều khiển số lượng chốt điều khiển số bit đang ở trạng thái hoạt động và các đơn vị chốt khác được đặt ở trạng thái không hoạt động. Dữ liệu trong RAM dữ liệu hiển thị được chốt vào chốt điều khiển số cột tương ứng thông qua bus dữ liệu 8 bit trong chu kỳ nhiệm vụ, và sau đó chốt vào chốt ổ đĩa cho ổ điện cực tại một thời điểm dưới sự điều khiển của tín hiệu đồng hồ. Tín hiệu đầu vào mô-đun. Theo cách này, lõi IP có thể thực hiện chức năng kiểm soát số cột đã chọn. Khi M là "000", 8 bit thấp hơn (chốt đầu tiên) của chốt điều khiển số cột hoạt động, và chốt còn lại là tất cả, và các điện cực cột tương ứng là SEG0 ~ SEG7; khi M là "001" 16 bit thấp hơn (chốt thứ nhất và thứ hai) của chốt điều khiển cột hoạt động. Tất cả các cột khác đều miễn phí. Các điện cực cột tương ứng là SEG0 ~ SEG15; và như vậy, cho đến khi cột điều khiển chốt 64. Bit đăng ký tất cả công việc, điện cực cột tương ứng là SEG0 ~ SEG63.
Mô-đun ổ điện cực
Mô-đun chủ yếu bao gồm bốn mô-đun phụ: một mô-đun quét điện cực quét hàng, mô-đun điện cực tín hiệu cột lái xe, bộ chuyển đổi mức và bộ đếm vòng số đặt sẵn.
Chức năng của shifter cấp là để chuyển đổi điện áp của tín hiệu logic thành một điện áp lái xe LCD thực tế bởi một tín hiệu điều khiển áp dụng và đầu ra cho mô-đun lái xe theo nhu cầu ứng dụng thực tế; vai trò của các mô-đun phụ quét điện cực hàng là cung cấp các điện cực hàng với một khoảng thời gian nhất định của xung tín hiệu quét; chức năng của môđun điều khiển điện cực tín hiệu cột là áp dụng dữ liệu từ chốt đến điện cực cột tương ứng và tín hiệu quét của điện cực hàng để thiết lập trường điện AC, do đó điều khiển hiển thị thiết bị LCD. Số lượng bộ đếm chuông có thể đặt trước có thể điều khiển số điện cực quét hàng thông qua thiết bị đầu cuối điều khiển số N (S0 ~ S5) để thích ứng với màn hình LCD có kích thước khác nhau và nhập các giá trị khác nhau vào thiết bị đầu cuối điều khiển số N theo với nhu cầu thực tế. Kiểm soát số hàng cho một công việc cụ thể và tất cả các điện cực khác không hoạt động. Dưới sự kiểm soát của tín hiệu đồng hồ đường truyền, quét được thực hiện từng dòng và chu kỳ được lặp lại cho đến khi một giá trị mới được nhập vào đầu cuối điều khiển số dòng N và một số dòng điện cực mới được quét trong một đường thẳng- by-line cách. Ví dụ, khi tín hiệu N áp dụng là “011011”, số điện cực quét là 27. Mô đun phụ lái quét hàng tạo ra tín hiệu quét liên tục trên các điện cực hàng COM0 COMCOM26 và các điện cực hàng COM27 COMCOM63 khác đều được đặt đến mức thấp. Nếu tín hiệu N áp dụng mới là “100011”, môđun điều khiển điện cực quét sẽ tạo ra tín hiệu quét lũy tiến tuần hoàn trên các điện cực hàng COM0 COMCOM34.
Triển khai hệ thống lõi IP
Đầu tiên, theo định nghĩa và phân chia ở trên của toàn bộ chức năng hệ thống và thiết kế của mỗi mô-đun, mỗi mô-đun chức năng được mô hình hóa riêng bằng ngôn ngữ VHDL; thứ hai, trên thiết bị FPGA của công ty Xilinx, công cụ EDA ISE được sử dụng để mô phỏng và tổng hợp. Gỡ lỗi và tối ưu hóa thiết kế; sau đó, sử dụng VHDL để xác định mô-đun cấp cao nhất để kết nối mỗi mô-đun và thực hiện gỡ lỗi và xác minh hệ thống tương ứng; cuối cùng, nhận được một mạch điều khiển LCD với 64 COM (hàng) và 64 SEGs (cột) Đầu ra, giao diện MCU 8 bit tốc độ cao và giao diện nối tiếp, chip chứa RAM để hiển thị dữ liệu và có thể được xếp chồng để điều khiển CS để mở rộng thác để đáp ứng màn hình LCD lớn hơn, thông qua điều khiển số cột M và số hàng điều khiển đầu cuối N để thích ứng với các kích cỡ màn hình LCD khác nhau.
Mô phỏng và xác minh
Bài viết này sử dụng phần mềm mô phỏng Xilinx ISE như một công cụ mô phỏng để xác minh lõi IP được thiết kế theo hai bước.
Đầu tiên, bài báo này đầu tiên thực hiện xác minh chức năng sơ bộ của mỗi mô-đun của lõi IP (bao gồm các mô-đun phụ bên trong). Sau đó, đề cập đến quá trình làm việc của chip, toàn bộ chip được mô phỏng như một tổng thể. Hình 3 và 4 cho thấy kết quả mô phỏng sử dụng ISE để mô phỏng các chức năng điều khiển hàng và cột của toàn bộ lõi IP. Trong hình, CLK và CLK1 là các đồng hồ điều khiển truyền dữ liệu và các xung quét điện cực hàng của mô-đun giao diện MCU, tương ứng; M và N là các đầu cuối điều khiển lựa chọn cho các điện cực cột và hàng, tương ứng; hai bit thấp và cao của CS được xếp tầng tương ứng. Kiểm soát tầng kết thúc bằng các cột.
Các kết quả mô phỏng trong Hình 3 và Hình 4 minh họa:
1. Khi RESET cao, lõi IP ở trạng thái ban đầu hoặc trạng thái rõ ràng; khi WRITE cao, lõi IP ở trạng thái hoạt động và có thể nhận dữ liệu hiển thị.
2. Trên cạnh tăng của đồng hồ CLK, MCU ghi dữ liệu hiển thị 8 bit vào RAM của lõi IP song song thông qua giao diện; trên cạnh tăng của đồng hồ CLK1, các điện cực quét ngang quét ra các xung quét, và các điện cực tín hiệu cột sẽ đưa dữ liệu vào RAM. Đầu ra từ SEG.
3. Số hàng của thiết bị đầu cuối điều khiển có thể thay đổi số lượng các hàng điện cực được quét. Khi thiết bị đầu cuối điều khiển lựa chọn số thứ tự là "3E", tín hiệu quét được xuất tại COM0 ~ COM61. Như thể hiện trong hình. 3, trong tín hiệu đồng hồ hàng đầu tiên, tín hiệu quét là đầu ra trên điện cực COM61, và điện cực hàng được quét hàng theo hàng dưới sự kiểm soát của đồng hồ lái xe hàng; khi tín hiệu đồng hồ hàng thứ bảy được nhập vào, N trở thành “22”, tín hiệu quét sẽ xuất ra trên điện cực hàng COM33, và dần dần bị giảm đi, tiến trình quét COM0 ~ COM33 tiến bộ được thực hiện.
4. Thiết bị đầu cuối điều khiển số cột có thể thay đổi số điện cực của tín hiệu cột. Khi cột điều khiển lựa chọn số cột M là "110", điện cực SEG là đầu ra 48 bit; khi M là "010", đầu ra của SEG trở thành 16 bit; khi M là "101", đầu ra của SEG trở thành 40 bit. ; Khi M là "100", đầu ra của SEG trở thành 32 bit.
Trong bài báo này, các chức năng kiểm soát số cột, kiểm soát số hàng, và tầng trung gian của lõi IP đã được xác minh và xác minh chức năng. Không gian hạn chế ở đây chỉ mô tả các chức năng điều khiển số lượng hàng và cột.
Phần kết luận
Bài viết này thảo luận về thiết kế của lõi IP chip trình điều khiển hiển thị LCD. Theo ý tưởng thiết kế từ trên xuống, chip được chia thành các lớp và chức năng tổng thể của chip được xác minh. Trong xác minh chức năng của chip, bài báo này sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL để xác minh chức năng logic và mối quan hệ thời gian của mạch. Trình điều khiển hiển thị LCD thông qua một thiết kế tham số và có tính di động tốt, và có thể được áp dụng thuận tiện cho các ứng dụng hệ thống màn hình phẳng khác nhau của các thiết bị cầm tay và PDA và các sản phẩm liên quan khác.
