基于FPGA的 LCD1602显示控制器设计

唐山学院《EDA技术》课程设计题目 LCD1602显示控制器设计系 (部) 信息工程系班级 11电本3班姓名刘亮学号 4110218214指导教师郭耀华田丽欣柳延领2014 年6 月 30 日至 7月 4日共 1 周2014年 7月 4日课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）硬件调试设计说明书总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年月日目录1 引言 (1)1.1 EDA技术的介绍 (1)1.2 EDA技术的发展 (2)2 VHDL/Quartus II简介 (4)2.1 VHDL语言介绍 (4)2.2 界面介绍 (5)3 模块设计 (6)3.1 LCD1602液晶模块 (6)3.2 矩阵键盘模块 (9)3.3 设计思路 (10)4 系统设计方案一 (11)4.1 矩阵键盘模块设计 (11)4.2 LCD1602液晶显示模块设计 (14)5 系统设计方案二 (17)5.1拨码开关控制的LCD1602显示模块 (17)5.2拨码开关控制的LCD1602显示模块程序 (17)5.3拨码开关控制的LCD1602显示模块仿真图 (20)6 设计总结 (21)参考文献 (22)1 引言1.1 EDA技术的介绍在电子设计自动化（英语：Electronic design automation，缩写：EDA）出现之前，设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作，这是因为当时所谓集成电路的复杂程度远不及现在。

工业界开始使用几何学方法来制造用于电路光绘（photoplotter）的胶带。

到了1970年代中期，开发人员尝试将整个设计过程自动化，而不仅仅满足于自动完成掩膜草图。

第一个电路布线、布局工具研发成功。

设计自动化会议（Design Automation Conference）在这一时期被创立，旨在促进电子设计自动化的发展。

电子设计自动化发展的下一个重要阶段以卡弗尔·米德（Carver Mead）和琳·康维于1980年发表的论文《超大规模集成电路系统导论》（Introduction to VLSI Systems）为标志。

这一篇具有重大意义的论文提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想。

如果这一想法得到实现，芯片设计的复杂程度可以得到显著提升。

这主要得益于用来进行集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的性能得到相当的改善。

随着计算机仿真技术的发展，设计项目可以在构建实际硬件电路之前进行仿真，芯片布线布局对人工设计的要求降低，而且软件错误率不断降低。

直至今日，尽管所用的语言和工具仍然不断在发展，但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为，利用工具软件综合得到低抽象级物理设计的这种途径，仍然是数字集成电路设计的基础。

从1981年开始，电子设计自动化逐渐开始商业化。

1984年的设计自动化会议（Design Automation Conference）上还举办了第一个以电子设计自动化为主题的销售展览。

Gateway设计自动化在1986年推出了一种硬件描述语言Verilog，这种语言在现在是最流行的高级抽象设计语言。

1987年，在美国国防部的资助下，另一种硬件描述语言VHDL被创造出来。

现代的电子设计自动化工具可以识别、读取不同类型的硬件描述。

根据这些语言规范产生的各种仿真系统迅速被推出，使得设计人员可对设计的芯片进行直接仿真。

后来，技术的发展更侧重于逻辑综合。

目前的数字集成电路的设计都比较模块化（参见集成电路设计、设计收敛（Design closure）和设计流（Design flow (EDA)））。

半导体器件制造工艺需要标准化的设计描述，高抽象级的描述将被编译为信息单元（cell）的形式。

设计人员在进行逻辑设计时无需考虑信息单元的具体硬件工艺。

利用特定的集成电路制造工艺来实现硬件电路，信息单元就会实施预定义的逻辑或其他电子功能。

半导体硬件厂商大多会为它们制造的元件提供“元件库”，并提供相应的标准化仿真模型。

相比数字的电子设计自动化工具，模拟系统的电子设计自动化工具大多并非模块化的，这是因为模拟电路的功能更加复杂，而且不同部分的相互影响较强，而且作用规律复杂，电子元件大多没有那么理想。

Verilog AMS就是一种用于模拟电子设计的硬件描述语言。

此外，设计人员可以使用硬件验证语言来完成项目的验证工作目前最新的发展趋势是将集描述语言、验证语言集成为一体，典型的例子有SystemVerilog。

随着集成电路规模的扩大、半导体技术的发展，电子设计自动化的重要性急剧增加。

这些工具的使用者包括半导体器件制造中心的硬件技术人员，他们的工作是操作半导体器件制造设备并管理整个工作车间。

一些以设计为主要业务的公司，也会使用电子设计自动化软件来评估制造部门是否能够适应新的设计任务。

电子设计自动化工具还被用来将设计的功能导入到类似现场可编程逻辑门阵列的半定制可编程逻辑器件，或者生产全定制的专用集成电路。

1.2 EDA技术的发展从20世纪70年代，人们就已经开始基于计算机开发出一些软件工具帮助设计者完成电路系统的设计任务，以替代传统的手工设计的方法，随着计算机软件和硬件技术水平的提高，EDA技术也不断进步，大致经历了下面三个发展阶段: （1）CAD阶段：20世纪70年代至80年代初，由于电子技术软件的功能较弱和个人计算机的普及度不高，人们主要借助于计算机对所设计的电路的性能进行模拟和预测；完成简单的版图绘制和PCB布局。

这是EDA技术发展的早起阶段。

（2）CAE阶段：20世纪80年代至90年代初，由于人们在设计方法学、设计工具集成优化方面取得了长足的进步，使得集成电路规模逐渐扩大，电子系统设计也逐步复杂，与CAD相比，又增加了电路功能设计和结构设计、工程设计、原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线、PCB后分析等功能。

由此EDA进入CAE阶段。

（3）EDA阶段：20世纪90年代以来，由于微电子工艺的显著发展，促进了电子设计工具的不断改善。

尤其是进入21世纪以后，EDA技术得到了更快的发展。

使得EDA技术广泛应用于各个领域，IP核的SoC设计技术日趋成熟、SoPC 技术步入实用化阶段、高速DSP实现成为了可能、复杂电子系统的设计和验证更加高效。

没有EDA技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

随着电子技术的发展和人们对电子设计开发的难度及周期要求，EDA技术必将广发应用于电子设计的各个领域，因此本设计也采用了EDA的设计方法，其设计的优越性明显高于传统的设计方法。

本次设计的LCD1602显示控制器，就是通过eda进行的一次实践。

在日常生活中，我们对LCD1602显示器并不陌生。

LCD1602显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

LCD1604晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1.显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

2.数字式接口。

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

3.体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

4.功耗低。

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

这次设计主要任务是设计基于FPGA的LCD控制器，采用了带ST7920驱动的LCD1602液晶模块，并使用Altera公司的cyclone系列的EP2C5T144C8来作为核心的控制器。

控制器部分采用VHDL语言编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。

该控制器分为字符显示模块和图片显示模块两个主要部分。

在字符的显示功能上采用显示控制模块与字符调用RAM相结合的方式，使使用者能方便地调用液晶自带的字库来显示字符；而图片显示模块则通过特殊的处理算法解决了图像显示缓冲区X地址不断移位以及上下半屏分开的问题，通过读取图片ROM来显示图片。

最后实现使用FPGA在LCD上的任意位置显示任意5*7的英文字符，另外要能根据输入数据的变化同步变化LCD上显示的内容。

同时要能将储存模块中的图片数据正常地显示在LCD上。

2 VHDL/Quartus II简介2.1 VHDL语言介绍电子设计自动化（EDA）的关键技术之一是要求用形式化方法来描述数字系统的硬件电路。

VHDL 硬件描述语言在电子设计自动化中扮演着重要的角色，他是EDA 技术研究的重点之一。

VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。

它在80年代的后期出现。

最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。

但是，由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，于是他在1987年成为ANSI/IEEE的标准（IEEE STD 1076-1987）。

1993年更进一步修订，变得更加完备，成为ANSI/IEEE的ANSI/IEEE STD 1076-1993标准。

目前，大多数的CAD厂商出品的EDA软件都兼容了这种标准。

VHDL的英文全写是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Descriptiong Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。

因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。

目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。

当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。

硬件描述语言是EDA 技术的重要组成部分，VHDL 是作为电子设计主流硬件描述语言，VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）于1983 年由美国国防部发起创建，由IEEE进一步发展并在1987年作为IEEE标准10760发布。

因此，VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。

VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性，使用VHDL 语言，可以就系统的总体要求出发，自上而下地将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。

一个完整的VHDL程序包括以下几个基本组成部分：实体（Entity），结构体（Architecture），程序包（Package），库（Library）。