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笔段式液晶显示器具有低电压，低功耗，体积小，易于开发等特点，广泛应用在各种仪器仪表、屯子设备及家用电器等方面。本文介绍的基于FPGA的笔段式LCD驱动器具有灵活性高，扩展性强，可快速构建等特点，与集成电路控制器相比，FPGA更加灵活，可以针对不同的液晶显示模块更改时序信号和显示数据。本设计选用Actel公司的Fusion系列器件，设计了笔段式液晶显示驱动控制器，为驱动控制LCD提供了一种完美的解决方案。
1 笔段式LCD简介
液晶显示器简称LCD(Liquid Crystal Display)。利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的，所以它是一种被动式的显示器。
LCD显示器有笔段式和点阵式两种。点阵式LCD显示器的段电极与背电极里正交带状分布，液晶位于正交的带状电极间。笔段式LCD显示器类似于LED数码管显示器。每个显示器的段电极包括七个笔划(段)和一个背电极BP(或COM)。可以显示数字和简单的字符，每个数字和字符与其字形码(段码)对应。一般的笔段式LCD如图1所示。
为使液晶实现显示，必须满足一定的条件：首先要有足够强的电信号作用于液晶，使液晶分子的初始排列发生变化；其次是每个电(光、热)信号可以在一段时间内作用于一个或者多个像素单元。由于直流电场会导致液晶材料发生电解等化学反应，使电极急剧的老化，因此只能在像素电极上建立交流电场，而且应该尽量减少交流电场中的直流成分。由于液晶显示器件有类型、规格、型号的不同，对施加的电压波形、相位和频率、占空比等都有着不同的要求。
2 Actel FPGA技术
Actel公司是单芯片FPGA解决方案的领导厂商，早期以反熔丝FPGA为主，致力于航天航空和军用领域，对FPGA的可靠性要求相当高，并将Actel FPGA成功应用于超过300个太空计划，例如：国际太空站、火星探路者、火星探测登陆车1号和2号、火星快车以及哈勃望远镜等。Actel近年来逐渐向民用市场开放，并率先推出了高安全性、高可靠性的Flash架构的FPGA，从第一代ProASIC到第三代ProASIC3，特别是第三代ProASIC3的广泛应用，显示出Actel PPGA的强大优势：单芯片、上电即行、非易失性、低功耗、高安全性、固件错误免疫、无NRE费用、快速原型构建等。
此外，Actel FPGA还可以结合Cortex-M1、ARM7及8051等软核MCU，实现真正的片上系统。
3 FPGA设计实现
(1)系统框图
基于ActelFPGA的笔段式LCD驱动设计框图如图2所示。LCD需要交流的方波进行驱动以防止LCD的液晶分子过分扭曲。FPGA的I／O只能实现三种电平状态，分别是高电平、低电平和高阻态。为了提高选择点亮笔段与半选择笔段之间的对比度，公共背电极需要实现四种电平的状态，那么就需要外加分压电路的实现。
在FPGA内部需要实现的功能是，完成输入输出的数据接口模块；实现输入数据的编码转换横块；实现笔段式LCD的行扫描信号控制；实现笔段式LCD列控制信号的输出。
输入输出接口模块主要是实现上下级数据的收发，对上级输入和输出到下一级的数据进行缓冲，在时钟沿下进行同步，这样可以有效地消除毛刺，增强系统的稳定性。数据编码模块实现对输入数据的编码，这样外部就可以直接输入十进制的数据，然后通过编码模块编码后再送到后级的列控制模块进行扫描显示。采用内部编码的方式可以减少I／O的占用，节约了I／O资源，且方便用户的使用，具有通用性，使接口更简单，使用更灵活。
(2)行扫描信号实现
行扫描模块实现了对LCD背极信号(公共端COM)的扫描控制，由于LCD的动态驱动方式是把所有同一行的信号连接在一起形成公共端，所以在驱动LCD的时候一般采用行扫描的方式进行，而显示的控制则由列驱动控制信号来完成。
为了使LCD的驱动端口由交流的周期性方波驱动，设计中采用一个周期八个电平循环扫描的方式实现。列驱动模块实现对显示数据和显示位数的控制。由于行扫描信号是一种固定产生的PWM波信号，因此在决定哪一位或者哪一个笔段需要显示时，完全由列驱动信号来控制。笔段式LCD显示的条件之一就是在公共端(COM)和段码端(SEG)两者之间的电压差达到LCD显示电压的阀值。
为了使COM与SEG之间的电压差达到LCD显示的阀值，需要根据行扫描信号的时序波形图进行列驱动信号的设计。这样才能使两者之间大于或者小于阀值电压。从而控制笔段式LCD的亮灭。为了使驱动信号是周期行方波，设计中需要对输入的信号与一个周期性的信号进行异或运算，这样就能确保输入到驱动端的信号都是周期性变化的方波，避免LCD液晶分子的过度扭曲而损坏笔段式LCD。
(3)列控制信号实现
FPGA外部的分压电路是为了实现多电平驱动信号而设计的，列控制信号的分压是由两个阻值相等的电压串联分压而成的，分别接地和电源。当FPGA的I／O分别输出为0、1、z三种电平时，笔段式LCD的驱动电平分别为0v、3.3v和1／2个3.3V。行扫描信号分压电路与列控制的分压电路类似，设计中采用的是1：4的偏压比，笔段式LCD COM端上的电平分别为0v、1／4个3.3V、3／4个3.3V和3.3V。经过分压电阻后就可以正常地驱动笔段式LCD。
(4)笔段式LCD驱动时序
FPGA程序时序结合外部分压电路的笔段式LCD驱动时序如图3所示。设计中采用了模块复用的方法来节约资源，仅有一个输入端口，通过选择器来进行位显示的选择。在输入显示数据后选通显示位。行扫描信号是一直扫描输出的。字符位在正常情况下是不显示的，只有在出现电量过低等特殊情况时才显示相对应的字符以作警示。
4 应用场合
在仅需显示数字，要求功耗低以及只有少量显示信息的场合，本设计由于具有低电压、低功耗、低成本等特点而具有广泛的应用前景。典型的应用场合如图4所示。
·POS系统：交易系统、银行终端、加油机、收银台等；
·工业控制基站：显示、仪表等；
·消费电子：MP3播放器、PDA等；
·智能仪表：汽车仪表、电表、家电仪表、测量工具等。
很多电子设备是在户外环境中使用的，特别是一些工业现场环境更是非常恶劣，Actel FPGA具有高度的可靠性，它的编程门限电压高达12V，能有效抵抗高能粒子的轰击和干扰。ActelFPGA还具有高度的安全性，具有Flash Lock和AES双重的加密技术，可以有效的保护知识产权，防止他人的抄袭和复制。
5 小结
本文主要介绍了基于Actel FPGA的笔段式LCD直接驱动的设计实现。敬请关注周立功公司的网站www.zlgmcu.com以获得更多的信息。我们有着一个接近30人的FPGA团队提供强有力的售后服务和技术支持，解决用户在产品使用和研发过程中遇到的困难。若有更多的需求可以与我们联系，我们将会竭诚为您服务，并请关注下期的FPGA专题技术讲座。
1 笔段式LCD简介
液晶显示器简称LCD(Liquid Crystal Display)。利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的，所以它是一种被动式的显示器。
LCD显示器有笔段式和点阵式两种。点阵式LCD显示器的段电极与背电极里正交带状分布，液晶位于正交的带状电极间。笔段式LCD显示器类似于LED数码管显示器。每个显示器的段电极包括七个笔划(段)和一个背电极BP(或COM)。可以显示数字和简单的字符，每个数字和字符与其字形码(段码)对应。一般的笔段式LCD如图1所示。
为使液晶实现显示，必须满足一定的条件：首先要有足够强的电信号作用于液晶，使液晶分子的初始排列发生变化；其次是每个电(光、热)信号可以在一段时间内作用于一个或者多个像素单元。由于直流电场会导致液晶材料发生电解等化学反应，使电极急剧的老化，因此只能在像素电极上建立交流电场，而且应该尽量减少交流电场中的直流成分。由于液晶显示器件有类型、规格、型号的不同，对施加的电压波形、相位和频率、占空比等都有着不同的要求。
2 Actel FPGA技术
Actel公司是单芯片FPGA解决方案的领导厂商，早期以反熔丝FPGA为主，致力于航天航空和军用领域，对FPGA的可靠性要求相当高，并将Actel FPGA成功应用于超过300个太空计划，例如：国际太空站、火星探路者、火星探测登陆车1号和2号、火星快车以及哈勃望远镜等。Actel近年来逐渐向民用市场开放，并率先推出了高安全性、高可靠性的Flash架构的FPGA，从第一代ProASIC到第三代ProASIC3，特别是第三代ProASIC3的广泛应用，显示出Actel PPGA的强大优势：单芯片、上电即行、非易失性、低功耗、高安全性、固件错误免疫、无NRE费用、快速原型构建等。
此外，Actel FPGA还可以结合Cortex-M1、ARM7及8051等软核MCU，实现真正的片上系统。
3 FPGA设计实现
(1)系统框图
基于ActelFPGA的笔段式LCD驱动设计框图如图2所示。LCD需要交流的方波进行驱动以防止LCD的液晶分子过分扭曲。FPGA的I／O只能实现三种电平状态，分别是高电平、低电平和高阻态。为了提高选择点亮笔段与半选择笔段之间的对比度，公共背电极需要实现四种电平的状态，那么就需要外加分压电路的实现。
在FPGA内部需要实现的功能是，完成输入输出的数据接口模块；实现输入数据的编码转换横块；实现笔段式LCD的行扫描信号控制；实现笔段式LCD列控制信号的输出。
输入输出接口模块主要是实现上下级数据的收发，对上级输入和输出到下一级的数据进行缓冲，在时钟沿下进行同步，这样可以有效地消除毛刺，增强系统的稳定性。数据编码模块实现对输入数据的编码，这样外部就可以直接输入十进制的数据，然后通过编码模块编码后再送到后级的列控制模块进行扫描显示。采用内部编码的方式可以减少I／O的占用，节约了I／O资源，且方便用户的使用，具有通用性，使接口更简单，使用更灵活。
(2)行扫描信号实现
行扫描模块实现了对LCD背极信号(公共端COM)的扫描控制，由于LCD的动态驱动方式是把所有同一行的信号连接在一起形成公共端，所以在驱动LCD的时候一般采用行扫描的方式进行，而显示的控制则由列驱动控制信号来完成。
为了使LCD的驱动端口由交流的周期性方波驱动，设计中采用一个周期八个电平循环扫描的方式实现。列驱动模块实现对显示数据和显示位数的控制。由于行扫描信号是一种固定产生的PWM波信号，因此在决定哪一位或者哪一个笔段需要显示时，完全由列驱动信号来控制。笔段式LCD显示的条件之一就是在公共端(COM)和段码端(SEG)两者之间的电压差达到LCD显示电压的阀值。
为了使COM与SEG之间的电压差达到LCD显示的阀值，需要根据行扫描信号的时序波形图进行列驱动信号的设计。这样才能使两者之间大于或者小于阀值电压。从而控制笔段式LCD的亮灭。为了使驱动信号是周期行方波，设计中需要对输入的信号与一个周期性的信号进行异或运算，这样就能确保输入到驱动端的信号都是周期性变化的方波，避免LCD液晶分子的过度扭曲而损坏笔段式LCD。
(3)列控制信号实现
FPGA外部的分压电路是为了实现多电平驱动信号而设计的，列控制信号的分压是由两个阻值相等的电压串联分压而成的，分别接地和电源。当FPGA的I／O分别输出为0、1、z三种电平时，笔段式LCD的驱动电平分别为0v、3.3v和1／2个3.3V。行扫描信号分压电路与列控制的分压电路类似，设计中采用的是1：4的偏压比，笔段式LCD COM端上的电平分别为0v、1／4个3.3V、3／4个3.3V和3.3V。经过分压电阻后就可以正常地驱动笔段式LCD。
(4)笔段式LCD驱动时序
FPGA程序时序结合外部分压电路的笔段式LCD驱动时序如图3所示。设计中采用了模块复用的方法来节约资源，仅有一个输入端口，通过选择器来进行位显示的选择。在输入显示数据后选通显示位。行扫描信号是一直扫描输出的。字符位在正常情况下是不显示的，只有在出现电量过低等特殊情况时才显示相对应的字符以作警示。
4 应用场合
在仅需显示数字，要求功耗低以及只有少量显示信息的场合，本设计由于具有低电压、低功耗、低成本等特点而具有广泛的应用前景。典型的应用场合如图4所示。
·POS系统：交易系统、银行终端、加油机、收银台等；
·工业控制基站：显示、仪表等；
·消费电子：MP3播放器、PDA等；
·智能仪表：汽车仪表、电表、家电仪表、测量工具等。
很多电子设备是在户外环境中使用的，特别是一些工业现场环境更是非常恶劣，Actel FPGA具有高度的可靠性，它的编程门限电压高达12V，能有效抵抗高能粒子的轰击和干扰。ActelFPGA还具有高度的安全性，具有Flash Lock和AES双重的加密技术，可以有效的保护知识产权，防止他人的抄袭和复制。
5 小结
本文主要介绍了基于Actel FPGA的笔段式LCD直接驱动的设计实现。敬请关注周立功公司的网站www.zlgmcu.com以获得更多的信息。我们有着一个接近30人的FPGA团队提供强有力的售后服务和技术支持，解决用户在产品使用和研发过程中遇到的困难。若有更多的需求可以与我们联系，我们将会竭诚为您服务，并请关注下期的FPGA专题技术讲座。