[FPGA]淺談LCD1602字符型液晶顯示器(Verilog)

概述

本文圍繞LCD1602字符型液晶顯示器展開,並在FPGA開發板上用VerilogHDL語言實現模塊驅動.

首先來一張效果展示

那么怎么在這塊綠油油的平面上顯示出點陣構成的字符呢?本文將為你提供一些思路.

注:本文僅討論寫入操作,實現在LCD1602上顯示指定字符串,不講解讀取相關操作.

LCD1602

LCD1602是什么?

LCD1602是一種字符型液晶顯示模塊,不同於七段數碼管,它可以通過點陣的形式顯示出各種圖案或字符,可拓展性較強.

其名稱中"LCD"即為 Liquid Crystal Display (液晶顯示器),"1602"代表顯示屏上可同時顯示32個字符(16x2).

LCD1602的管腳

LCD1602共有16根管腳(部分型號只有14根,沒有背光管腳),管腳功能表如下

符號	管腳說明	符號	管腳說明
VSS	電源地	D2	數據
VDD	電源正極	D3	數據
VL	偏壓	D4	數據
RS	數據/命令選擇	D5	數據
R/W	讀/寫選擇	D6	數據
E	使能	D7	數據
D0	數據	BLA	背光正極
D1	數據	BLK	背光負極

其中需要我們關心的只有RS,E,和D0-D7.

RS_數據/命令選擇

RS端用來控制輸入給D0-D7的序列代表命令還是數據.

如果代表輸入命令,則輸入給D0-D7的序列相當於對模塊進行設置(下文會有輸入序列對應的指令表及其功能);如果代表輸入數據,則輸入給D0-D7的序列相當於寫入需要顯示的字符串(輸入的是每個字符所對應的地址碼).

若RS為低電平,代表輸入命令;若RS為高電平,代表輸入數據.

E_使能

E端是用來執行命令的使能引腳,當它從高電平變成低電平時(下降沿),液晶模塊執行命令.

D0-D7

八位雙向並行數據線,在本文中僅作輸入端(寫入).

LCD1602有個DDRAM

DDRAM( Display Data Random Access Memory )即為顯示數據隨機存取存儲器,相當於"顯存",用來存放待顯示的字符代碼.

DDRAM一共有80個字節,它和1602的顯示屏上32個字符位的對應地址如下圖

第一行的16個字符位的地址對應0x00-0x0F,第二行則對應0x40-0x4F("0x"代表16進制數).

LCD1602還有個CGROM

CGROM( Character Generator Read-Only Memory )即為字符產生只讀存儲器,用來存放192個常用字符的字模.

值得一提的是,表中的左半部分字符和他們的ASCII碼是對應的,所以在寫代碼時可以直接寫成"A"而不必要寫成"0x41".

另外還有一個CGRAM用來存放用戶自定義的字符,可存放8個5x8字符或4個5x10字符,不過這不在本文討論范圍內.

指令集

前文已經提到,當RS為低電平時,代表輸入命令,那么這些命令都有哪些呢?

將能實現某種功能的序列稱為一條命令,每條命令有幾個固定的位和幾個可變的位,可變的位可以改變功能/模式,將這些命令總稱為指令集.全體指令集如下表

指令	RS	R/W	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
清屏	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
光標復位	0	0	0	0	0	0	0	0	0	x
進入模式設置	0	0	0	0	0	0	0	1	I/D	S
顯示開關設置	0	0	0	0	0	0	1	D	C	B
移位控制	0	0	0	0	0	1	S/C	R/L	x	x
工作方式設置	0	0	0	0	1	DL	N	F	x	x
字符發生器地址設置	0	0	0	1	a	a	a	a	a	a
數據存儲器地址設置	0	0	1	b	b	b	b	b	b	b
讀忙標志或地址	0	1	BF	c	c	c	c	c	c	c
寫入數據至CDRAM或DDRAM	1	0	d	d	d	d	d	d	d	d
從CGRAM或DDRAM中讀取數據	1	1	e	e	e	e	e	e	e	e

注:其中a代表字符發生存儲器地址,b代表顯示數據存儲器地址,c代表計數器地址,d代表要寫入的數據內容,e代表讀取的數據內容.

我們關心的是其中的清屏,進入模式設置,顯示開關設置,工作方式設置,數據存儲器地址設置.

清屏

清除屏幕顯示內容,光標返回屏幕左上角.

執行這個指令時需要一定時間.

進入模式設置

I/D = 1:寫入新數據后光標右移,I/D = 0:寫入新數據后光標左移

S = 1:顯示移動,S = 0:顯示不移動.

顯示開關設置

D = 1:顯示功能開,D = 0,顯示功能關(但是DDRAM中的數據依然保留).

C = 1:有光標,C = 0,沒有光標.

B = 1:光標閃爍,B = 0.光標不閃爍.

工作方式設置

DL = 1:8位數據接口(D7-D0),DL = 0:4位數據接口(D7-D4).

N = 0:一行顯示,N = 1;兩行顯示.

F = 0: 5x8點陣字符,F = 1: 5x10點陣字符.

數據存儲器地址設置

在對DDRAM進行讀寫之前,首先要設置DDRAM地址,然后才能進行讀寫.

地址設置見第一張圖.

Verilog驅動

了解了1602的原理和功能后,就可以着手編寫驅動模塊了.想要讓LCD1602顯示指定的字符,需要有一個驅動程序將模塊和用戶連接起來,實現輸入什么就輸出什么的功能,並能夠簡單的進行設置.

接下來開始寫驅動(造輪子).分為若干個次級模塊逐個分析.

模塊定義

模塊共有5個端口(其中8個數據端合為一個8位寬端口),分別為CLK時鍾輸入端,_RST低電平有效的復位端,LCD_E使能端,LCD_RS數據/命令選擇端,LCD_DATA數據端.

module LCD1602
(input CLK
,input _RST
,output LCD_E 
,output reg LCD_RS
,output reg[7:0]LCD_DATA
);

上電穩定

這是一個簡單的初始化模塊,數據手冊要求要先通電20ms才可以進行下一步操作,為了使之上電穩定.

parameter TIME_20MS=1_000_000;//需要20ms以達上電穩定(初始化)
reg[19:0]cnt_20ms;
always@(posedge CLK or negedge _RST)
	if(!_RST)
		cnt_20ms<=1'b0;
	else if(cnt_20ms==TIME_20MS-1'b1)
		cnt_20ms<=cnt_20ms;
	else
		cnt_20ms<=cnt_20ms+1'b1 ;

wire delay_done=(cnt_20ms==TIME_20MS-1'b1)?1'b1:1'b0;//上電延時完畢

工作周期分頻

LCD1602的工作周期為500Hz,所以要進行分頻(板載晶振為50MHz).

parameter TIME_500HZ=100_000;//工作周期
reg[19:0]cnt_500hz;
always@(posedge CLK or negedge _RST)
	if(!_RST)
		cnt_500hz<=1'b0;
	else if(delay_done)
		if(cnt_500hz==TIME_500HZ-1'b1)
			cnt_500hz<=1'b0;
		else
			cnt_500hz<=cnt_500hz+1'b1;
	else
		cnt_500hz<=1'b0;

assign LCD_E=(cnt_500hz>(TIME_500HZ-1'b1)/2)?1'b0:1'b1;//使能端,每個工作周期一次下降沿,執行一次命令
wire write_flag=(cnt_500hz==TIME_500HZ-1'b1)?1'b1:1'b0;//每到一個工作周期,write_flag置高一周期

狀態機

模塊工作采用狀態機驅動.

//狀態機有40種狀態,此處用了格雷碼,一次只有一位變化(在二進制下)
parameter IDLE=8'h00;
parameter SET_FUNCTION=8'h01;
parameter DISP_OFF=8'h03;
parameter DISP_CLEAR=8'h02;
parameter ENTRY_MODE=8'h06;
parameter DISP_ON=8'h07;
parameter ROW1_ADDR=8'h05;
parameter ROW1_0=8'h04;
parameter ROW1_1=8'h0C;
parameter ROW1_2=8'h0D;
parameter ROW1_3=8'h0F;
parameter ROW1_4=8'h0E;
parameter ROW1_5=8'h0A;
parameter ROW1_6=8'h0B;
parameter ROW1_7=8'h09;
parameter ROW1_8=8'h08;
parameter ROW1_9=8'h18;
parameter ROW1_A=8'h19;
parameter ROW1_B=8'h1B;
parameter ROW1_C=8'h1A;
parameter ROW1_D=8'h1E;
parameter ROW1_E=8'h1F;
parameter ROW1_F=8'h1D;
parameter ROW2_ADDR=8'h1C;
parameter ROW2_0=8'h14;
parameter ROW2_1=8'h15;
parameter ROW2_2=8'h17;
parameter ROW2_3=8'h16;
parameter ROW2_4=8'h12;
parameter ROW2_5=8'h13;
parameter ROW2_6=8'h11;
parameter ROW2_7=8'h10;
parameter ROW2_8=8'h30;
parameter ROW2_9=8'h31;
parameter ROW2_A=8'h33;
parameter ROW2_B=8'h32;
parameter ROW2_C=8'h36;
parameter ROW2_D=8'h37;
parameter ROW2_E=8'h35;
parameter ROW2_F=8'h34;

reg[5:0]c_state;//Current state,當前狀態
reg[5:0]n_state;//Next state,下一狀態

always@(posedge CLK or negedge _RST)
	if(!_RST)
		c_state<=IDLE;
	else if(write_flag)//每一個工作周期改變一次狀態
		c_state<=n_state;
	else
		c_state<=c_state;

always@(*)
	case (c_state)
		IDLE:n_state=SET_FUNCTION;
		SET_FUNCTION:n_state=DISP_OFF;
		DISP_OFF:n_state=DISP_CLEAR;
		DISP_CLEAR:n_state=ENTRY_MODE;
		ENTRY_MODE:n_state=DISP_ON;
		DISP_ON:n_state=ROW1_ADDR;
		ROW1_ADDR:n_state=ROW1_0;
		ROW1_0:n_state=ROW1_1;
		ROW1_1:n_state=ROW1_2;
		ROW1_2:n_state=ROW1_3;
		ROW1_3:n_state=ROW1_4;
		ROW1_4:n_state=ROW1_5;
		ROW1_5:n_state=ROW1_6;
		ROW1_6:n_state=ROW1_7;
		ROW1_7:n_state=ROW1_8;
		ROW1_8:n_state=ROW1_9;
		ROW1_9:n_state=ROW1_A;
		ROW1_A:n_state=ROW1_B;
		ROW1_B:n_state=ROW1_C;
		ROW1_C:n_state=ROW1_D;
		ROW1_D:n_state=ROW1_E;
		ROW1_E:n_state=ROW1_F;
		ROW1_F:n_state=ROW2_ADDR;
		ROW2_ADDR:n_state=ROW2_0;
		ROW2_0:n_state=ROW2_1;
		ROW2_1:n_state=ROW2_2;
		ROW2_2:n_state=ROW2_3;
		ROW2_3:n_state=ROW2_4;
		ROW2_4:n_state=ROW2_5;
		ROW2_5:n_state=ROW2_6;
		ROW2_6:n_state=ROW2_7;
		ROW2_7:n_state=ROW2_8;
		ROW2_8:n_state=ROW2_9;
		ROW2_9:n_state=ROW2_A;
		ROW2_A:n_state=ROW2_B;
		ROW2_B:n_state=ROW2_C;
		ROW2_C:n_state=ROW2_D;
		ROW2_D:n_state=ROW2_E;
		ROW2_E:n_state=ROW2_F;
		ROW2_F:n_state=ROW1_ADDR;//循環到1-1進行掃描顯示
		default:;
	endcase

RS端控制

控制輸入為數據或命令

always@(posedge CLK or negedge _RST)
	if(!_RST)
		LCD_RS<=1'b0;//為0時輸入指令,為1時輸入數據
	else if(write_flag)
		//當狀態為七個指令任意一個,將RS置為指令輸入狀態
		if((n_state==SET_FUNCTION)||(n_state==DISP_OFF)||(n_state==DISP_CLEAR)||(n_state==ENTRY_MODE)||(n_state==DISP_ON)||(n_state==ROW1_ADDR)||(n_state==ROW2_ADDR))
			LCD_RS<=1'b0; 
		else
			LCD_RS<=1'b1;
	else
		LCD_RS<=LCD_RS;

顯示控制

always@(posedge CLK or negedge _RST)
	if(!_RST)
		LCD_DATA<=1'b0;
	else if(write_flag)
		case(n_state)
			IDLE:LCD_DATA<=8'hxx;
			SET_FUNCTION:LCD_DATA<=8'h38;//8'b0011_1000,工作方式設置:DL=1(DB4,8位數據接口),N=1(DB3,兩行顯示),L=0(DB2,5x8點陣顯示).
			DISP_OFF:LCD_DATA<=8'h08;//8'b0000_1000,顯示開關設置:D=0(DB2,顯示關),C=0(DB1,光標不顯示),D=0(DB0,光標不閃爍)
			DISP_CLEAR:LCD_DATA<=8'h01;//8'b0000_0001,清屏
			ENTRY_MODE:LCD_DATA<=8'h06;//8'b0000_0110,進入模式設置:I/D=1(DB1,寫入新數據光標右移),S=0(DB0,顯示不移動)
			DISP_ON:LCD_DATA<=8'h0c;//8'b0000_1100,顯示開關設置:D=1(DB2,顯示開),C=0(DB1,光標不顯示),D=0(DB0,光標不閃爍)
			ROW1_ADDR:LCD_DATA<=8'h80;//8'b1000_0000,設置DDRAM地址:00H->1-1,第一行第一位
			//將輸入的row_1以每8-bit拆分,分配給對應的顯示位
			ROW1_0:LCD_DATA<=row_1[127:120];
			ROW1_1:LCD_DATA<=row_1[119:112];
			ROW1_2:LCD_DATA<=row_1[111:104];
			ROW1_3:LCD_DATA<=row_1[103: 96];
			ROW1_4:LCD_DATA<=row_1[ 95: 88];
			ROW1_5:LCD_DATA<=row_1[ 87: 80];
			ROW1_6:LCD_DATA<=row_1[ 79: 72];
			ROW1_7:LCD_DATA<=row_1[ 71: 64];
			ROW1_8:LCD_DATA<=row_1[ 63: 56];
			ROW1_9:LCD_DATA<=row_1[ 55: 48];
			ROW1_A:LCD_DATA<=row_1[ 47: 40];
			ROW1_B:LCD_DATA<=row_1[ 39: 32];
			ROW1_C:LCD_DATA<=row_1[ 31: 24];
			ROW1_D:LCD_DATA<=row_1[ 23: 16];
			ROW1_E:LCD_DATA<=row_1[ 15:  8];
			ROW1_F:LCD_DATA<=row_1[  7:  0];
			ROW2_ADDR:LCD_DATA<=8'hc0;//8'b1100_0000,設置DDRAM地址:40H->2-1,第二行第一位
			ROW2_0:LCD_DATA<=row_2[127:120];
			ROW2_1:LCD_DATA<=row_2[119:112];
			ROW2_2:LCD_DATA<=row_2[111:104];
			ROW2_3:LCD_DATA<=row_2[103: 96];
			ROW2_4:LCD_DATA<=row_2[ 95: 88];
			ROW2_5:LCD_DATA<=row_2[ 87: 80];
			ROW2_6:LCD_DATA<=row_2[ 79: 72];
			ROW2_7:LCD_DATA<=row_2[ 71: 64];
			ROW2_8:LCD_DATA<=row_2[ 63: 56];
			ROW2_9:LCD_DATA<=row_2[ 55: 48];
			ROW2_A:LCD_DATA<=row_2[ 47: 40];
			ROW2_B:LCD_DATA<=row_2[ 39: 32];
			ROW2_C:LCD_DATA<=row_2[ 31: 24];
			ROW2_D:LCD_DATA<=row_2[ 23: 16];
			ROW2_E:LCD_DATA<=row_2[ 15:  8];
			ROW2_F:LCD_DATA<=row_2[  7:  0];
		endcase
	else
		LCD_DATA<=LCD_DATA;

自定義字符輸入

輸入要顯示的字符.

wire[127:0]row_1;
wire[127:0]row_2;
assign row_1 ="   Welcome to   ";//第一行顯示的內容(16個字符)
assign row_2 ="    My Blog!    ";//第二行顯示的內容(16個字符)

效果展示

將以上代碼有機整合后,燒錄至開發板上,按下復位鍵即可看到顯示屏上顯示出了指定字樣.

你可以修改字符串來讓屏幕顯示出不同的內容,甚至可以調整模式讓顯示屏滾動顯示大於16字符的字符串.

總結

LCD1602是一個很基礎的模塊,把這個掌握后對以后的學習幫助很大,所以很有必要學習.

這個模塊不止可以通過Verilog驅動,也可以用其他語言或其他開發板來實現,例如STM32,51單片機或者SV,VHDL語言,都可以寫一套讓他工作的驅動.

另外,如果有現成的輪子,為什么還要自己造一個出來呢?在碰到類似情況時可以借助互聯網參考一下別人對此問題有怎么樣的解決方案,加以借鑒並內化於心,才能達到最高效率的學習.

參考資料

[1] aslmer. "verilog寫的LCD1602 顯示"[ED/OL]. https://www.cnblogs.com/aslmer/p/5819422.html ,2016(8).

[2] aslmer. "LCD1602指令集解讀"[ED/OL]. https://www.cnblogs.com/aslmer/p/5801363.html ,2016(8).

[3] 阿忠ZHONG. "單片機顯示原理(LCD1602)"[ED/OL]. https://www.cnblogs.com/hui088/p/4732034.html 2015(8).

[4] 百度百科. "詞條-LCD1602"[ED/OL]. https://baike.baidu.com/item/LCD1602/6014393 ,2019(9).

[5] HITACHI©Ltd. "HD44780U (LCD-II)(Dot Matrix Liquid Crystal Display Controller/Driver)"[M]. Japan HITACHI,1998.