NIOSⅡ嵌入式处理器的特点及实现控制液晶显示器

电子设计 2018-10-31 4018

描述

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高。液晶显示器" target="_blank">液晶显示器（LCD）以其具有功耗低、体积小、重最轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。本文介绍一种基于NIOSⅡ的LCD的控制方法。利用SoPC技术，在NIOSⅡ系统中添加相应的I／O端口实现对液晶显示器的控制。

NIOSⅡ嵌入式处理器以其设计灵活在嵌入式领域中得到广泛应用。着重介绍嵌入式系统中的液晶显示屏模块。比较NIOSⅡ与ARM嵌入式处理器的特点，以SED1520为例，阐述一种基于NIOSⅡ的液晶显示屏的软硬件控制方法，给出硬件原理图与部分软件代码。该方案能够有效地实现LCD的显示。对于嵌入式系统其他模块的开发具有借鉴意义。

1 NIOSⅡ嵌入式软核处理器

随着微电子技术的发展和半导体制造工艺的提高，工业生产、家用电器中的监测控制、信号处理等集成电路设计已经进入了片上系统（System On Chip）时代。在传统的集成电路设计中，需要考虑大量的外围电路，而且由于 PCB板中的IC芯片之间的连线延时，以及本身的体积和重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的制约。FPGA可以把整个数字系统集成在一个芯片上，功能密度高、体积小、功耗低、可靠性高，因此获得了广泛的应用。而且同 ASIC相比，FPGA成本低廉，设计灵活，成为了集成电路设计的发展趋势。

但是对于复杂的系统，比如有很多种状态机，或者有很多外设的系统，纯粹用基于硬件的 FPGA来实现还是比较困难的，因此通常是把一个微处理器嵌入到FPGA芯片中，用来控制各种状态的切换、协调各个外设之间的同步以及实现对任务的调度。

Nios是 Altera公司推出的嵌入在其 FPGA内部的软核处理器，它的可配置程度很高，可以将外部存储器（包括 ROM，RAM），液晶显示屏，以太网控制器，CDR驱动器，USB接口甚至红外适配器等外部设备连接在一起，协调它们之间的多机协同和数据共享，必要的时候还可以在Nios核中加入实时操作系统，来实现对多任务的调度。而且 Nios价格便宜，设计灵活，因此正在获得越来越广泛的使用，目前已经在蓝牙一以太网接入，远程信号采集等方面得到了应用。

NIOSⅡ是Altera公司在NIOS的基础上，于2004年发布的嵌入式软核处理器。所谓软核，是指用HDL文本形式提交给用户，他经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不含任何具体的物理信息。NIOSⅡ是采用流水线技术和哈佛结构的通用RISC（Refined Instruction Set Computer，精简指令集计算机）。一个NIOSⅡ处理器系统由NIOSⅡCPU和一系列的外设组成。NIOSⅡ系统包括NIOSⅡCPU、片内外设、片内存储器和片外外设，他们的接口都在Altera公司的芯片上实现。相当于在单片机实现1台计算机或1个微控制器。所有的NIOSⅡ处理器系统使用统一的指令集和编程方式。NIOSⅡ的处理器实例如图1所示。

液晶显示器

ARM是常用的嵌入式处理器之一。在设计SoC时，常把ARM作为硬核植入到FPGA中。硬核具有成本低、速度快等优点。但是将IP硬核直接植入FPGA的解决力案存在以下不足：由于硬核是预先植入的，设计者无法相据实际需要改变处理器的结构；无法根据实际设计需要在同一FPGA中集成多个处理器；无法根据需要裁减处理器硬件资源以降低FPGA成本等。

2 液晶屏控制器的选择

SED1520系列是日本Seiko Epson公司出品的将行、列驱动器和控制器集成在一起的控制器。在小规模图形液晶显示模块上使用SED1520液晶显示驱动控制器，组成显示驱动和控制系统是低成本、低功耗、高集成的最佳选择。

SED1520的基本特点有：快速8位MCU接口，可适配Intel8080系列或M6800系列时序；丰富的指令集；共80个驱动器输出；低功耗：外部时钟2 kHz时为30μW；占空比可设置为1／16或1／32；低功耗CMOS工艺；可以级联使用，以扩展行、列驱动力；电源范围广：LCD电压VDD-VSS=-2.4～-7.0 V；SED1520系列共有6种型号：SED1520FOA，SED1520FAA，SED1521FOA，SED1521FAA，SED1520D，SED1521D。其中SED1520FOA应用最为广泛，SED1520的指令集见表1。

液晶显示器

3 LCD的硬件设计

一般来说，对于不太复杂的系统，把外部设备看作普通PIO是比较简单的方法。首先在QUARTUSⅡ软件中的SoPC BUILDER中添加1个8位的lcd_data[70]，4个1位的lcd_cd，led_ce，lcd_rd，lcd_wr。再设置lcd_data的属性为双向三态“Tri_state”，其他4个信号的属性设为“Output only”。lcd_data[70]为数据位，传输数据；lcd_cd为命令、数据使能信号，当lcd_cd为高电平时数据线上传输命令，当lcd_cd为低电平时数据线上传输数据；lcd_ce为片选信号，低电平有效；lcd_rd为读使能，低电平有效；lcd_wr为写使能，低电平有效。NIOSⅡ和LCD模块的接口电路如图2所示。图2中LCD硬件原理备注：读状态字的代码中，D7对应BUSY，D7=1为忙，D7=0为准备好；D6对应ADC，D6=1为反向方式，D6=0为正常方式；D5对应当前显示状态，D5=1为关显示，D5=0为开显示；D4对应复位信号，D4=1为执行复位，D4=0为正常操作。

液晶显示器

4 LCD的软件设计

由于所有在LCD屏幕上显示的数据，不论是文本方式，还是图形方式，都存放在外部的显示存储器中所以在软件设计时，NIOSⅡ处理器只要将指令直接送至LCD的外部显示存储区，控制器就可以控制液晶屏显示用户所需要的数据及其显示方式。下面以写单参数命令子程序和写数据子程序为例，介绍软件设计过程：

液晶显示器

5 结语

本文阐述基于NIOSⅡ嵌入式处理器控制液晶显示器的硬件设计方案和软件设计方法。通过该设计，充分体现出NIOSⅡ嵌入式处理器在设计中的灵活性，更好地节约了成本。

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