FPGA-驱动LCD显示屏原理

1、LCD屏幕的RGB接口

图1：RGB LCD 液晶屏幕接口

        LCD屏幕的RGB接口信号线如表所示：

表1：LCD屏幕的RGB接口信号线

信号线	描述
R[7:0]	8根红色数据线
G[7:0]	8根绿色数据线
B[7:0]	8根蓝色数据线
DE	数据使能线，在DE模式下，HOZVAL时DE为高
VSYNC	垂直同步信号线
HSYNC	水平同步信号线
PCLK	像素时钟信号线
LCD_LR	控制显示器显示方向（左右方向）
LCD_UD	控制显示器显示方向（上下方向）

        LCD_R7/G7/B7 则用来设置 LCD 的 ID，由于 RGBLCD 没有读写寄存器，也就没有所谓的 ID，这里我们通过在模块上面，控制 R7/G7/B7 的上/下拉，来自定义 LCD 模块的 ID，帮助 MCU 判断当前 LCD 面板的分辨率和相关参数，以提高程序兼容性。

表2 RGB LCD 模块和 ID 对应关系

M2 LCD_B7	M1 LCD_G7	M0 LCD_R7	LCD ID	说明
0	0	0	4342	ATK-4342 RGB LCD模块，分辨率： 480*272
0	0	1	7084	ATK-7084 RGB LCD模块，分辨率： 800*480
0	1	0	7016	ATK-7016 RGB LCD模块，分辨率： 1024*600
1	0	0	4384	ATK-4384 RGB LCD模块，分辨率： 800*480
1	0	1	1018	ATK-1018 RGB LCD模块，分辨率： 1280*800
X	X	X	NC	暂时未用到

2、LCD时间参数及屏幕时序

LCD显示屏的扫描图如图2所示。

图2 一帧图像扫描图

       在图2中可以看到一圈黑边，真正有效的显示区域是中间的白色部分。

图3 LCD行显示时序

        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， 图 3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4 LCD帧显示时序

        VSYNC：帧（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，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， 图 4为低电平有效。

        VSPW：帧同步信号宽度，也就是 VSYNC 信号持续时间，单位为 1 行的时间。

        VBP：帧显示后沿（或后肩），单位为 1 行的时间。

        LINE：帧有效显示区域，即显示一帧数据所需的时间，假如屏幕分辨率为 1024*600，那么 LINE 就是600 行的时间。

        VFP：帧显示前沿（或前肩），单位为 1 行的时间。

        显示一帧所需要的时间就是： VSPW+VBP+LINE+VFP 个行时间，最终的计算公式：T = (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)

        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）

        RGB LCD 液晶屏一般有两种数据同步方式，一种是行场同步模式（HV Mode），另一种是数据使能同步模式（DE Mode）。当选择行场同步模式（HV Mode）时， LCD 接口的时序与 VGA 接口的时序图非常相似，只是参数不同，如图 2和图 3中的行同步信号（HSYNC）和场同步信号（VSYNC）作为数据的同步信号，此时数据使能信号（DE）必须为低电平。当选择 DE 同步模式时， LCD 的 DE 信号作为数据的有效信号，如图 2 和图 3 中的 DE信号所示。只有同时扫描到帧有效显示区域和行有效显示区域时， DE 信号才有效（高电平）。当选择 DE同步模式时，此时行场同步信号 VS 和 HS 必须为高电平。由于 RGB LCD 液晶屏一般都支持 DE 模式，不是所有的 RGB LCD 液晶屏都支持 HV 模式，因此本章我们采用 DE 同步的方式驱动 LCD 液晶屏。

3、像素时钟

        像素时钟就是 RGB LCD 的时钟信号，以1024*600分辨率的屏幕为例，显示一帧图像所需要的时钟数是：

N（CLK） = (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)

= (3 + 20 + 600 + 12) * (20 + 140 + 1024 + 160) = 635 * 1344 = 853440

        显示一帧图像需要 853440 个时钟数，那么显示 60 帧就是： 853440 * 60 = 51206400≈51.2M，所以像素时钟就是 51.2MHz。

        不同分辨率的LCD屏幕的时序参数如表3所示。