FPGA入門基礎(chǔ)之LCD1602液晶屏萬年歷顯示

本文通過以LCD1602液晶顯示模塊為基礎(chǔ)，介紹FPGA驅(qū)動(dòng)LCD1602原理，詳細(xì)介紹硬件原理圖設(shè)計(jì)及FPGA驅(qū)動(dòng)LCD1602軟件設(shè)計(jì)，通過萬年歷功能綜合實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能、LCD1602顯示功能。

1.硬件設(shè)計(jì)原理

1.1 概述

LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊，它可以顯示字母、數(shù)字和符號(hào)等。

LCD1602由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。從圖2中COM信號(hào)、SEG信號(hào)可以看出，LCD1602的驅(qū)動(dòng)原理與數(shù)碼管本質(zhì)上是類似的，只不過其內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的解碼，用戶只需按照控制接口簡(jiǎn)單輸入要顯示的數(shù)據(jù)即可。

圖2：常見的LCD1602內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

常用的類型有16×1，16×2，20×2和40×2等的模塊。不同廠家生產(chǎn)的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一樣的，本文以16×2為例進(jìn)行介紹。

1.2 LCD1602硬件設(shè)計(jì)

（1）主要技術(shù)參數(shù)

顯示字符容量：16×2個(gè)字符，即顯示兩行字符，每行16個(gè)字符；

工作電壓：4.5V~5.5V（最佳工作電壓5.0V），典型電流2mA@5.0V；

字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm。

（2）尺寸大小

LCD1602尺寸大小如圖3所示。

圖3：LCD1602尺寸大小

（3）信號(hào)接口說明

信號(hào)接口定義說明如下表所示。

表1：LCD1602信號(hào)定義

管腳說明：

• 管腳1，2，為電源管腳，15,16為背光管腳，均推薦5.0V供電；
• 管腳3為，對(duì)比度調(diào)節(jié)管腳，需提供偏壓電壓。其用于LCD1602液晶屏對(duì)比度控制，該管腳電壓在1.2V±0.1V左右顯示對(duì)比度較佳，硬件連接是建議采用滑動(dòng)變阻器對(duì)其電壓進(jìn)行控制；管腳4 RS，為數(shù)據(jù)，命令選擇管腳：H：數(shù)據(jù)選擇，L：命令選擇；管腳5 R/W，為讀寫管腳：H：讀操作，L：寫；管腳6 E，為是能管腳，該信號(hào)下降沿有效時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸給內(nèi)部模塊；

管腳7~14 D0~D7，為數(shù)據(jù)或命令。

（4）原理圖設(shè)計(jì)

LCD1602硬件原理圖設(shè)計(jì)如4所示。

圖4：LCD1602硬件原理圖

2.軟件設(shè)計(jì)

2.1 LCD1602顯示及指令說明

如圖3右側(cè)所示，液晶屏每個(gè)字符其實(shí)是有5×8個(gè)LED燈組成，由于LCD1602內(nèi)部已經(jīng)集成了專門的驅(qū)動(dòng)芯片，無需用戶像數(shù)碼管那樣單獨(dú)的去控制每一個(gè)LED燈，降低了開發(fā)難度，減少了硬件連接信號(hào)線。

（1）LCD1602內(nèi)部RAM地址映射圖

圖5：LCD1602內(nèi)部RAM地址映射圖

LCD1602內(nèi)部控制器帶有80×8位（80字節(jié)）的RAM緩沖區(qū)如圖5所示。LCD1602內(nèi)部字符表編碼如圖6所示。

圖6：LCD1602內(nèi)部字符表編碼:

（2）指令說明

初始化設(shè)置指令：

• 顯示模式設(shè)置指令38H：

• 顯示開/關(guān)、光標(biāo)功能

（3）數(shù)據(jù)控制

控制器內(nèi)部設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)指針，用戶可以通過他們方位內(nèi)部的全部80字節(jié)RAM。

• 數(shù)據(jù)指針設(shè)置：即如果要在01位置顯示字符，RAM的地址必須是01H+80H，即81H，其他位置類似，均需要加上80H。

（4）其他設(shè)置

• 顯示清屏和顯示回車指令：

2.2 讀寫操作時(shí)序

（1）讀操作

讀操作時(shí)序如圖7所示。

圖7：讀操作時(shí)序

讀狀態(tài)：輸入：RS = L，RW = H，E = H，輸出D0~D7狀態(tài)字；

讀數(shù)據(jù)：輸入：RS = H，RW = H，E = H，輸出D0~D7數(shù)據(jù)。

（2）寫操作

寫操作時(shí)序如圖8所示。

圖8：讀操作時(shí)序

寫指令：輸入：RS = L，RW = L，D0~D7=指令碼，E = H，輸出無；

寫數(shù)據(jù)：輸入：RS = H，RW = L，D0~D7=指令碼，E = H，輸出D0~D7數(shù)據(jù)。

讀寫操作需要注意的是，D0~D7數(shù)據(jù)要在使能E信號(hào)的下降沿寫入控制器，要注意tHD2保持時(shí)間必須滿足手冊(cè)要求，其他時(shí)序參數(shù)也要參考手冊(cè)要求。

2.3 LCD1602上電初始化操作

LCD1602上電必須進(jìn)行初始化操作，初始化過程如下：

（1）硬件上電后，延遲15ms；
（2）寫指令38H（可不檢測(cè)忙信號(hào)）；
（3）延遲5ms；
（4）寫指令38H（可不檢測(cè)忙信號(hào)）；（5）延遲5ms；
（6）寫指令38H（可不檢測(cè)忙信號(hào)，以后每次寫指令、讀寫操作前均需檢測(cè)忙信號(hào)，也可通過增大延遲，如5ms，不檢測(cè)忙信號(hào)）；

（7）寫指令38H：顯示模式設(shè)置；

（8）寫08H：關(guān)閉顯示；

（9）寫0H：顯示清屏；

（10）寫指令06H：顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置；

（11）寫指令0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

本文要利用LCD1602實(shí)現(xiàn)萬年歷顯示。具體功能如下：

（1）DS1302芯片SPI接口驅(qū)動(dòng)功能；
（2）DS1302芯片寄存器讀寫控制功能，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘初始化設(shè)置；
（3）按鍵消抖功能；
（4）LCD1602顯示萬年歷靜態(tài)設(shè)置時(shí)間；

（5）LCD1602顯示萬年歷動(dòng)態(tài)時(shí)間。

軟件功能模塊劃分如圖9所示。

圖9：軟件設(shè)計(jì)模塊劃分框圖

各個(gè)模塊功能：

（1）lcd1602_calendar.v模塊為萬年歷頂層模塊，實(shí)現(xiàn)模塊間互聯(lián)；（2）spi_driver.v實(shí)現(xiàn)DS1302 SPI接口通信功能；
（3）ds1302_ctrl_m.v實(shí)現(xiàn)DS1302寄存器讀寫控制功能，包括將設(shè)置值寫入芯片和將芯片寄存器值讀出控制。
（4）set_init_time.v實(shí)現(xiàn)通過按鍵實(shí)現(xiàn)萬年歷初始值設(shè)置；（5）lcd1602_driver.v驅(qū)動(dòng)LCD1602接口實(shí)現(xiàn)萬年歷顯示功能（動(dòng)態(tài)顯示年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，溫度靜態(tài)顯示）；

（6）KeyJitters.v實(shí)現(xiàn)按鍵消抖功能。

3.測(cè)試結(jié)果

軟件下載至電路板，通過SignaTap II在線邏輯分析儀抓取LCD1602接口寫數(shù)據(jù)如下圖所示。

圖10：LCD1602寫操作

通過按鍵設(shè)置萬年歷初始值，顯示在LCD1602上，如圖11所示，可以看到萬年歷時(shí)間已經(jīng)正確顯示。

圖11：LCD1602萬年歷初始值設(shè)置顯示

測(cè)試結(jié)果詳見視頻號(hào)：FPGA技術(shù)實(shí)戰(zhàn)。

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