基于FPGA的多功能LCD显示控制器设计

实验题目：基于FPGA的多功能LCD显示控制器设计

课程简要信息

课程名称：数字系统课程设计

课程学时：32学时

项目学时：课内8学时、课外6学时

适用专业：电子信息类专业

学生年级：本科二年级第二学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容

采用Inter公司Cylone 10系列FPGA和分辨率为800*480的7寸RGB-LCD显示屏进行实验设计。

**学生只调用FPGA内置的RAM模块（存储空间为1134K），不使用SDRAM和SD卡等外部存储资源，**在LCD显示屏上实现图片、彩条、文字等内容显示,并完成具有交互性强、趣味性高的游戏界面设计。

图1 课程学生实验作品

实验任务

实验任务包括了基础实验任务、能力提升任务和延伸拓展任务三个层次，旨在调动学生实验兴趣，在理解和掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路等知识点的基础上，通过阶梯递进式的实验任务，引导学生完成高阶性和创新性实验设计。

图2 LCD显示控制器三层次实验任务

基础实验

1）完成分频模块、LCD驱动模块和LCD显示模块设计，进行时序仿真。

2）完成RGB888纯色图片显示电路设计，并在远程实验平台下载测试。

3）完成RGB888纯色图片显示电路设计，并在远程实验平台下载测试。

能力提高

1）完成ROM模块设计、并将目标图像转换成mif文件。

2）完成基于ROM的RGB565图片（原始分辨率）显示，并在远程平台下载测试。

3）完成基于ROM的RGB565图片（全屏）显示，并在远程平台下载测试。

延伸拓展

1）完成按键控制模块设计。

2）完成基于ROM的趣味性游戏界面设计，并在远程实验平台下载测试。

3）完成基于ROM的图像形态学处理设计，并在远程实验平台下载测试。

实验过程及要求（限300字）

每位同学需独立完成基础实验任务，提高任何和延伸拓展任务以小组为单位（2人一组），通过任务分工和团队协作方式开完成实验设计，并采用小组答辩方式完成实验项目验收。实验过程如下：

1）自行查阅资料，了解RGB-LCD显示屏工作原理；

2）掌握使用Quartus II软件进行电路设计、综合编译、仿真、下载的流程及方法；

3）完成LCD时钟电路、驱动电路和显示电路设计，并进行时序仿真；

4) 完成RGB888纯色图片和多色彩条显示电路设计，在远程实验平台下载测试；

5）以小组为单位，完成ROM模块完成RGB565图片显示设计，在远程实验平台下载测试；

6）基于FPGA对图像进行形态学处理，归纳和分析图像噪声处理、边缘检测、目标物提取的实验效果，以及资源消耗情况；

7）基于FPGA完成具有趣味性的游戏界面设计，可通过按键模块对游戏画面进行交互性操作；

8）撰写实验总结报告，结合远程实验平台效果进行项目验收答辩。

相关知识及背景（限150字）

LCD显示控制器项目以培养学生的工程创新能力为主线，结合当前图像处理技术发展，从学生兴趣点入手，完成彩条、图片、互动游戏等多样性实验。实验内容涉及数字电子技术、图像处理、数学形态学、FPGA设计与应用等多学科课程知识。

实验环境条件

1）设计软件：Quartus Ⅱ 17.1

2）实验平台：数字电子技术远程实验平台

a）远程实验平台 b）远程实验界面

a）FPGA实验板 b）RGB-LCD屏

图3 LCD显示控制器实验仪器

教学目标与目的（限150字）

实验项目通过阶梯递进式实验教学，培养学生扎实的理论基础，提升实验操作技能，教学目标如下：

1）让学生理解LCD显示屏显示原理，在此基础上掌握使用FPGA进行显示控制器设计的方法。

2）实验项目通过任务分工和团队协作方式，让学生探索图像显示及图像处理的较佳设计方案。

3）培养学生的成本意识，学生通过自主设计和算法优化，降低LCD显示控制器对硬件指标的要求。

教学设计与实施进程

在实施以学生为中心的实验教学中，团队教师对课前实验预习、课堂实验指导、课后实验总结等环节进行了精心设计，为学生营造出环绕式学习氛围，实验教学流程如图4所示。通过网络教学平台，对学习过程进行全程记录、评价并反馈，引导学生及时调整学习方法和状态。

图4 LCD显示控制器实验教学流程

实验预习

实验预习在线上教学平台进行，每周提供课前实验任务、实验学习视频、实验步骤、定时截止实验作业等，并进行问题征集。借助平台，学生能在异地场景通过网络远程操控真实设备，提前完成实物实验设计，提高实验预习效率。

实验指导

采用翻转实验课堂模式，对课前征集的实验难点进行答疑和实验操作演示，引导学生发现共性问题，弥补漏洞；在课堂上交叉进行实验方案讨论和实验设计，通过教学的启迪和大量有创意的实验内容训练，能动地激发学生创新意识，培养自主创新能力；使学生在实验理论、实践能力和创新精神三方面取得同步收获。

图5 LCD显示控制器实验项目实验教学

具体过程如下：

1）讲解LCD工作原理和应用场合，让学生体会到数字技术改变和影响我们的生活和学习，厚植学生的家国情怀；

2）讲解LCD显示控制器的设计原理，对时钟模块、显示模块、驱动模块设计中涉及的实验难点，采用研讨式教学，让学生分组讨论；

3）总结学生讨论的基础上，引导学生独立完成基础实验任务设计；

4）以小组合作方式完成能力提高任务，在远程实验平台下载测试，组织优秀学生分享设计心得，全体讨论是否有改进方案；

6）引导学有余力的同学，以小组合作方式完成延伸拓展任务，培养学生勇于探究的科学精神。

实验总结

采用“自主设计论文答辩”的考核方式，学生制作PPT进行实验项目汇报，并在教学平台提交实验总结报告。关注学生实验报告质量的同时，更关注学生在综合设计性实验中所展示的积极性、团队合作意识和工程创新能力等。

图6 实验项目答辩验收环节

实验原理及方案

实验原理

像素是指由图像的小方格组成的，这些小方块都有一个明确的位置和被分配的色彩数值，小方格颜色和位置就决定该图像所呈现出来的样子。分辨率是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素有多少，实验平台使用的LCD分辨率为800*480。

图7 LCD屏幕像素点示意图

LCD显示屏的行显示时序如图8所示。

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，查阅所使用的LCD数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效，为低电平有效。

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。

HBP：行显示后沿（或后肩），单位是CLK。

HOZVAL：行有效显示区域，即显示一行数据所需的时间，假如屏幕分辨率为1024*600，那么HOZVAL 就是1024，单位为CLK。

HFP：行显示前沿（或前肩），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。

图8 LCD显示屏行显示时序

一帧图像是由很多个行组成的， LCD的场显示时序如图9所示。

VSYNC：场同步信号，当此信号有效的时候就表示开始显示新的一帧数据。

VSPW：场同步信号宽度，也就是VSYNC信号持续时间，单位为1行的时间。

VBP：场显示后沿，单位为1行的时间。

LINE：场有效显示区域，即显示一帧数据所需的时间。

VFP：场显示前沿，单位为1行的时间。

图9 LCD显示控制器帧显示时序

因此我们在配置一款RGB LCD屏的时候需要知道这几个参数：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显示屏模块采用24位并行RGB接口，在LCD显示控制器的初始化配置中，需要帧同步信号、帧同步信号宽度、帧显示后沿等参数进行时序设计。

1）使用子母两个计数器对驱动时钟进行计数。

2）子计数器的计数范围为0-1055，所代表一个行扫描周期，满载时在下一个时钟周期清零，并使母计数器+1。

3）母计数器的计数范围为0-524，所代表一个场扫描周期，满载时在下一个时钟周期清零。

实验方案

学生可利用原理图、硬件描述语言、宏模块等多种方法完成实验设计， LCD显示控制器系统包含：时钟分频模块、驱动模块、显示模块、按键控制模块、游戏界面控制模块、图像形态学处理模块等，其中，时钟分频模块负责产生像素时钟，LCD驱动模块产生同步信号，LCD显示模块输出图像数据。

图10 LCD显示控制器系统框图

LCD驱动模块中，使用子母两个计数器对驱动时钟进行计数，子计数器的计数范围为0-1056，母计数器的计数范围为0-525。利用组合逻辑将子母俩个计数的计数值做范围限定，确定有效显示范围，此时拉高数据使能，将输出lcd_rgb的值到屏幕的对应像素点上以及回传当前的坐标值。

LCD显示模块将屏幕显示区域按照横坐标划分为多个显示区域，通过判断像素点的横坐标所在的区域，给像素点赋以不同的颜色值，从而实现彩条显示。

实验报告要求

学生按实验教学任务要求，经过实验方案设计、教学视频观看、分组讨论实验操作、实验效果分析归纳等环节完成实验设计，对所设计的实验进行硬件调试、参数调整，给出系统优化方案，提交实验总结报告，报告要求如下。

1) 按照实验原理和实验步骤进行实验设计，完成实验后提交Word文档实验报告。

2) 实验报告文件命格式为：姓名—学号—XXXX（实验名称）.doc。

3）报告内容至少应包含实验目的、实验仪器、实验原理、实验数据、实验总结、心得体会等部分。

考核要求与方法（限300字）

考核要求

实验项目对学生的考核主要体现在“参与性、要点总结、实验拓展、文档资料表述”等方面。实验课内学时为8个课时数，第3课时进行基础实验任务验收，第5课时进行提高实验任务验收，第6课时进行随堂测试，第7、8课时组织同学进行项目汇报答辩。

考核方法

实验成绩= 基础任务*15% +提高任务*15% + 随堂测试*30%+ 项目答辩*40%

图11 LCD显示控制器实验项目考核方法

实验考核细则如下：

实验项目根据学生报告的建议内容、学生问卷调查、实验组教师讨论等多渠道收集反馈意见，对实验考核评价体系进行持续改进。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

1）实验内容涉及多课程知识，实验进程由浅入深，实验教学实现由单一实验技能锻炼向综合能力素养培养的转变。

2）实验教学项目依托远程实境实验平台，构建跨越时间空间以及资源共享的实验教学环境；满足高阶性和泛在化实验教学需要。

3）通过阶梯递进式实验教学，能动地激发创新意识，培养自主创新能力；使学生在是实验理论、实践能力和创新精神三方面能得到同步收获。