基于SOPC 的觸控屏控制器IP核設(shè)計

可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它設(shè)計方式靈活，具備軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。SOPC 在設(shè)計上以集成電路IP 核為基礎(chǔ)，而自行開發(fā)的SOPC IP 核，根據(jù)實際硬件資源和功能任務(wù)需求來定制顯示控制功能，可以增強系統(tǒng)可靠性和設(shè)計靈活性，降低了成本。目前針對LCD 顯示設(shè)計的控制器IP 核文章較多[1-2],但對于TFT-LCD 觸控屏設(shè)計的控制器IP 核文章較少[3],而且這類文章中很少見對控制器各個模塊進行仿真驗證內(nèi)容。

　　文中提出一種針對TFT-LCD 觸控屏控制器IP 核的設(shè)計方法。該控制器具有Avalon 總線接口，與其他標(biāo)準(zhǔn)IP 核一起構(gòu)成以NiosⅡ為核心的片上系統(tǒng)。針對本設(shè)計中觸控屏幀緩存讀操作的特點，選擇以Avalon 主端口接口的形式對模塊進行開發(fā)，大大提高了處理器運行效率，同時實現(xiàn)了觸控屏控制器IP 核的參數(shù)化設(shè)計， 提高了控制器對于不同LCD 屏的可復(fù)用性，最后通過對輸出緩沖FIFO 的使用，解決了數(shù)據(jù)讀出時鐘與像素時鐘不同步問題。

　　1 觸控屏控制器總體結(jié)構(gòu)

　　在SDRAM 中開辟一段儲存空間， 用來存放屏幕圖像數(shù)據(jù)，稱之為幀緩存。通過設(shè)計適當(dāng)?shù)挠布壿媮斫彺媾c屏幕圖像像素之間的一一對應(yīng)關(guān)系，并配合觸控屏顯示所必需的行、場時序信號，將幀緩存中的數(shù)據(jù)不斷地輸送給觸控屏， 完成最終的顯示刷新， 其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　觸控屏控制器刷新周期開始時，主端口模塊根據(jù)幀緩存地址生成邏輯所產(chǎn)生的地址，完成主端口的讀操作，實現(xiàn)幀緩存中數(shù)據(jù)讀取，并將該數(shù)據(jù)輸送給輸出緩沖模塊。同時，時序信號生成模塊依據(jù)觸控屏的時序規(guī)范生成行、場同步信號，以及與像素同步的相關(guān)顯示點的橫、縱坐標(biāo)。觸控屏控制器數(shù)據(jù)顯示模塊不斷從緩存中讀取屏幕顯示數(shù)據(jù)。

　　2 觸控屏控制器模塊設(shè)計

　　2.1 Avalon-MM Slave 接口模塊

　　本模塊掛載在Avalon 總線上作為從設(shè)備使用，用來對所有的用戶邏輯進行配置和控制， 核心功能是寄存器操作，包括讀、寫以及一些特殊指示與狀態(tài)信號的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換。通過從端口得到的數(shù)據(jù)分別賦值給相應(yīng)的寄存器，寄存器分為：FIFO 地址寄存器、坐標(biāo)寄存器、一幀數(shù)據(jù)長度寄存器。本模塊是最后在觸控屏上實現(xiàn)圖形顯示功能的接口電路。

　　2.2 Avalon-MM Master 接口模塊

　　LCD 控制器的本功能是產(chǎn)生LCD 時序信號，將幀緩存中的圖像信息進行有序輸出。由于圖形是一幀一幀地輸出到觸控屏上，而且顯示刷新過程是無限循環(huán)的，所以必須反復(fù)執(zhí)行幀緩存讀操作，因此本設(shè)計對上述讀操作進行了硬件加速?？梢圆粩嗟貜腇IFO 讀取圖像數(shù)據(jù)，并且在行、場和觸控屏顯示有效時間段讀取圖像數(shù)據(jù)，其它時間不讀圖像數(shù)據(jù)，這樣減少了Avalon 總線的使用，有利于圖像顯示并減少了總線負(fù)擔(dān)。分析讀幀緩存的操作可以發(fā)現(xiàn)，該過程總是按照一定的順序，將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出來進行顯示輸出，規(guī)律性非常強。本模塊主要完成地址及操作時序的產(chǎn)生、像素數(shù)據(jù)緩存寫操作控制、數(shù)據(jù)寬度的變換等功能。

　　2.3 觸控屏?xí)r序產(chǎn)生模塊

　　本文的觸控屏引出信號線有5 根：像素數(shù)據(jù)信號、觸控屏?xí)r鐘信號、行同步信號、場同步信號、使能信號。為了實現(xiàn)觸控屏的正常顯示，必須對以上信號按照規(guī)范的時序進行驅(qū)動，其中，行、場同步信號分別用來標(biāo)記屏幕上一行和一幀圖像的顯示時間，屏幕掃描線從上到下、從左到右依次掃描。在這個過程中，只需將幀緩存中的圖像像素數(shù)據(jù)依次輸出，就可以實現(xiàn)屏幕圖像顯示。

　　2.4 FIFO 幀緩存模塊

　　DDR 控制器隨著系統(tǒng)時鐘不斷往FIFO 寫數(shù)據(jù)， 當(dāng)一幀數(shù)據(jù)寫滿時就不再進行寫狀態(tài)，而等待LCD 控制器進行讀狀態(tài)， 顏色處理器從FIFO 中獲取數(shù)據(jù)， 每次從FIFO 中讀取32 bit 數(shù)據(jù)并不斷送給LCD.顏色處理器將每一個字節(jié)作為一個像素數(shù)據(jù)，并將一個字節(jié)的像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3 個字節(jié)的RGB 數(shù)據(jù)。顏色處理器從同步FIFO 緩沖器中讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)同步FIFO 緩沖器寫和讀相互不沖突時，同步FIFO 緩沖器產(chǎn)生讀請求，讓Avalon 主端口向Avalon 總線發(fā)起讀傳輸，從總線上獲取的數(shù)據(jù)將寫入同步FIFO 緩沖器，顏色處理器從FIFO 中讀取像素值，并且傳給LCD 顯示模塊。

　　3 Modelsim 仿真與測試

　　1）Avalon 從端口仿真與測試

　　由圖2 可知，從端口一位地址對應(yīng)一位數(shù)據(jù)。當(dāng)寫信號有效時，將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的寄存器；當(dāng)讀信號有效時，對應(yīng)寄存器地址將數(shù)據(jù)輸出。通過從端口數(shù)據(jù)寫入來控制LCD 模塊，控制LCD 讀取圖像的首地址和讀取數(shù)據(jù)的長度。

　　圖2 從端口仿真波形圖