14. TFT_LCD液晶屏字符显示¶

14.1. 章节导读¶

在上一章节，我们详细讲解了TFT_LCD液晶屏的相关知识，学习掌握了TFT显示屏的显示原理和时序，并设计验证了TFT_LCD显示屏驱动，实现了TFT_LCD显示屏的等宽十色彩条显示。

本章节，我们在上一章节的实验工程基础上略作改动，在TFT显示屏上实现汉字字符的显示，以加深读者对TFT显示屏相关知识的理解和掌握。

14.2. 理论学习¶

TFT_LCD显示屏的相关理论知识详见“TFT_LCD液晶屏驱动设计与验证”章节的“理论学习”小节。

14.3. 实战演练¶

14.3.1. 实验简介¶

实验目标：在TFT显示屏中心位置显示金色“野火科技”四个汉字，字符外的背景颜色为黑色。每个汉字大小为56*56，字模点阵为64*64，TFT显示屏显示模式为480*270@60。

14.3.2. 硬件资源¶

详见“TFT_LCD液晶屏驱动设计与验证”章节的“硬件资源”小节。

14.3.3. 程序设计¶

TFT显示屏字符显示的实验工程是在TFT_LCD液晶屏驱动设计与验证实验工程的基础上稍作改动得到，改动较大的部分为图像数据生成模块(tft_pic)，在程序设计部分我们只对改动较大的图像数据生成模块(tft_pic)进行详细讲解，对于工程的整体说明和改动较小或未改动的模块不再说明，读者可参阅“TFT _LCD液晶屏驱动设计与验证”章节的“程序设计”小节的相关部分。

14.3.3.1. 图像数据生成模块¶

模块框图

图像数据生成模块，设计本模块的目的是，以TFT时序控制模块传入的图像有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)为约束条件，产生图像像素点色彩信息pix_data并回传给TFT时序控制模块。在字符显示区域pi_data赋值为金色，其他区域均为黑色。模块框图，具体见图 43‑1。

图 43‑1 图像数据生成模块框图

由图 43‑1可知，图像数据生成模块包含4路输入、1路输出，共5路信号，输入输出信号简介，具体见表格 43‑1。

表格 43‑1 图像数据生成模块输入输出端口功能描述

信号	位宽	类型	功能描述
tft_clk_9m	1Bit	Input	工作时钟，频率9MHz
sys_rst_n	1Bit	Input	复位信号，低电平有效
pix_x	10Bit	Input	有效显示区域像素点X轴坐标
pix_y	10Bit	Input	有效显示区域像素点Y轴坐标
pix_data	16Bit	Output	彩条图像像素点色彩信息

输入信号中，时钟信号tft_clk_9m，频率为9MHz，为TFT显示屏工作时钟，由分频模块产生并输入；复位信号sys_rst_n为顶层模块的rst_n信号输入，低电平有效；(pix_x,pix_y)为TFT显示屏有效显示区域像素点坐标，由TFT时序控制模块生并输入。

输出信号pix_data为彩条图像像素点色彩信息，在TFT显示屏有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)约束下生成，传输到TFT显示时序控制模块。

波形图绘制

在模块框图部分，我们介绍了图像数据生成模块的具体功能，对输入输出信号做了简单介绍，那么如何利用模块输入信号实现模块功能，输出我们想要得到的数据信号呢？在波形图绘制部分，我们会通过绘制波形图，并对各信号做详细讲解，带领读者学习掌握模块功能的实现方法。

图像数据生成模块整体波形图，具体见图 43‑2。

图 43‑2 图像数据生成模块波形图

第一部分：输入信号

本模块的输入信号包括四路，时钟信号、复位信号和TFT驱动控制模块传入的有效显示区域的坐标信号pix_x、pix_y。时钟信号和复位信号无需多说，对于坐标信号pix_x、pix_y，在上一章节的TFT驱动控制模块小节有详细讲解，在此不再过多叙述。

第二部分：字符点阵显示区域坐标信号的设计与实现

在上面小节中，我们利用取模软件生成了要显示字符的字模，字模点阵的大小为256*64，那么如何利用字模点阵进行字符显示呢？

首先确定字符有效显示区域，区域大小与字符点阵大小相同，显示区域的像素点与字模点阵中数据项一一对应，当字模点阵中的数据项数值为“1”时，赋值字符颜色给对应像素点；当字模点阵中的数据项数值为“0”时，赋值点阵背景颜色给对应像素点。

所以为了确定字符点阵显示区域，我们声明两个变量char_x、char_y，两变量组成字符点阵显示区域坐标，在字符点阵有效显示区域内，char_x信号0-255循环计数，char_y信号0-63循环计数，根据坐标(char_x,char_y)寻找字符点阵对应的数据项，根据数据项的数值，赋予对应坐标像素点颜色信息。char_x、char_y信号波形具体见图 43‑3。

图 43‑3 char_x、char_y信号波形图

第三部分：输出图像数据信号的波形设计与实现

设计本模块的目的是生成图像像素点色彩信息回传给TFT_LCD时序控制模块，我们声明像素点色彩信息pix_data信号。在字符点阵显示区域内、字符点阵数据项数值为“1”时， pix_data根据为字符颜色；其他区域均赋值为背景色。因为pix_data的赋值条件超前图像显示区域一个时钟周期、且采用时序逻辑的赋值方式，pix_data与字符显示有效区域保持同步。pix_data信号波形具体见图 43‑4。

图 43‑4 pix_data信号波形图

代码编写

模块波形图绘制完毕后，参照绘制波形图进行参考代码的编写。模块参考代码，具体见代码清单 43‑1。

代码清单 43‑1 图像数据生成模块参考代码(vga_pic.v)

module tft_pic
(
input wire tft_clk_9m , //输入工作时钟,频率9MHz
input wire sys_rst_n , //输入复位信号,低电平有效
input wire [9:0] pix_x , //输入有效显示区域像素点X轴坐标
input wire [9:0] pix_y , //输入有效显示区域像素点Y轴坐标

output reg [15:0] pix_data //输出像素点色彩信息

);
////
//\* Parameter and Internal Signal \//
////
parameter H_VALID = 10'd480 , //行有效数据
V_VALID = 10'd272 ; //场有效数据
parameter CHAR_B_H= 10'd112 , //字符开始X轴坐标
CHAR_B_V= 10'd104 ; //字符开始Y轴坐标
parameter CHAR_W = 10'd256 , //字符宽度
CHAR_H = 10'd64 ; //字符高度
parameter BLACK = 16'h0000, //黑色
GOLDEN = 16'hFEC0; //金色
//wire define
wire [9:0] char_x ; //字符显示X轴坐标
wire [9:0] char_y ; //字符显示Y轴坐标
//reg define
reg [255:0] char [63:0] ; //字符数据
////
//\* Main Code \//
////
//字符显示坐标
assign char_x = (((pix_x >= CHAR_B_H) && (pix_x < (CHAR_B_H + CHAR_W)))
&& ((pix_y >= CHAR_B_V) && (pix_y < (CHAR_B_V + CHAR_H))))
? (pix_x - CHAR_B_H) : 10'h3FF;
assign char_y = (((pix_x >= CHAR_B_H) && (pix_x < (CHAR_B_H + CHAR_W)))
&& ((pix_y >= CHAR_B_V) && (pix_y < (CHAR_B_V + CHAR_H))))
? (pix_y - CHAR_B_V) : 10'h3FF;
//char:字符数据
always@(posedge tft_clk_9m)
begin
char[0] <= 256'h0000 … 0000;
char[1] <= 256'h0000 … 0000;
char[62] <= 256'h0000 … 0000;
char[63] <= 256'h0000 … 0000;
end
//pix_data:输出像素点色彩信息,根据当前像素点坐标指定当前像素点颜色数据
always@(posedge tft_clk_9m or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
pix_data <= BLACK;
else if(((pix_x >= CHAR_B_H) && (pix_x < (CHAR_B_H + CHAR_W)))
&& ((pix_y >= CHAR_B_V) && (pix_y < (CHAR_B_V + CHAR_H))))
begin
if(char[char_y][10'd255 - char_x] == 1'b1)
pix_data <= GOLDEN;
else
pix_data <= BLACK;
end
else
pix_data <= BLACK;
endmodule

模块参考代码是参照绘制波形图进行编写的，在波形图绘制小节已经对模块各信号有了详细的说明，对各信号介绍不再过多叙述。

本模块不再单独仿真，直接对实验工程整体进行仿真，再对本模块信号波形进行分析。

仿真代码编写

开始对顶层模块进行仿真，对顶层模块的仿真就是对实验工程的整体仿真。顶层模块仿真参考代码，具体见代码清单 43‑2。

代码清单 43‑2 顶层模块仿真参考代码(tb_vga_char.v)

\`timescale 1ns/1ns
module tb_tft_char();
////
//\* Parameter and Internal Signal \//
////
//wire define
wire hsync ;
wire [15:0] rgb_tft ;
wire vsync ;
 wire tft_clk ;
 wire tft_de ;
 wire tft_bl ;

 //reg define
 reg sys_clk ;
 reg sys_rst_n ;

 ////
 //\* Clk And Rst \//
 ////

 //sys_clk,sys_rst_n初始赋值
 initial
 begin
 sys_clk = 1'b1;
 sys_rst_n <= 1'b0;
 #200
 sys_rst_n <= 1'b1;
 end

 //sys_clk:产生时钟
 always #10 sys_clk = ~sys_clk ;

 ////
 //\* Instantiation \//
 ////

 //------------- tft_char_inst -------------
 tft_char tft_char_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), //输入工作时钟,频率50MHz,1bit
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), //输入复位信号,低电平有效,1bit

 .rgb_tft (rgb_tft ), //输出像素信息,16bit
 .hsync (hsync ), //输出行同步信号,1bit
 .vsync (vsync ), //输出场同步信号,1bit
 .tft_clk (tft_clk ), //输出TFT时钟信号,1bit
 .tft_de (tft_de ), //输出TFT使能信号,1bit
 .tft_bl (tft_bl ) //输出背光信号,1bit

 );

 endmodule

顶层模块仿真参考代码内部实例化各子功能模块，连接各子功能模块对应信号，模拟产生50MHz时钟信号和复位信号，理解较为容易，不再讲解。

仿真波形分析

使用ModelSim软件对代码进行仿真，在顶层模块的仿真波形分析，我们只查看tft_pic模块的相关信号，仿真结果如下。

图 43‑5 tft_pic模块整体仿真波形图

图 43‑6 tft_pic模块局部仿真波形图（一）

图 43‑7 tft_pic模块局部仿真波形图（二）

图 43‑8 tft_pic模块局部仿真波形图（三）

由上述波形图可知，模块各信号的仿真波形均与绘制波形图中各信号波形保持一致，模块通过仿真验证。

14.3.3.2. RTL视图¶

代码编译通过后，查看RTL视图，可看到顶层模块中包含个模块的实例化，各信号正确连接，具体见图 43‑9。

图 43‑9 RTL视图

14.3.4. 上板验证¶

14.3.4.1. 引脚约束¶

仿真验证通过后，准备上板验证，上板验证之前先要进行引脚约束。工程中各输入输出信号与开发板引脚对应关系如表格 43‑2所示。

表格 43‑2 引脚分配表

信号名	信号类型	对应引脚	备注
sys_clk	Input	E1	输入系统时钟
sys_rst_n	Input	M15	复位信号
tft_clk	Output	L2	时钟信号
tft_de	Output	K1	使能信号
tft_bl	Output	L3	背光信号
hsync	Output	L1	行同步信号
vsync	Output	K2	场同步信号
rgb_tft [15]	Output	G1	RGB色彩信息（红）
rgb_tft [14]	Output	F5	RGB色彩信息（红）
rgb_tft [13]	Output	F3	RGB色彩信息（红）
rgb_tft [12]	Output	F2	RGB色彩信息（红）
rgb_tft [11]	Output	F1	RGB色彩信息（红）
rgb_tft [10]	Output	E5	RGB色彩信息（绿）
rgb_tft [9]	Output	D4	RGB色彩信息（绿）
rgb_tft [8]	Output	J6	RGB色彩信息（绿）
rgb_tft [7]	Output	K6	RGB色彩信息（绿）
rgb_tft [6]	Output	L6	RGB色彩信息（绿）
rgb_tft [5]	Output	J2	RGB色彩信息（绿）
rgb_tft [4]	Output	J1	RGB色彩信息（蓝）
rgb_tft [3]	Output	L4	RGB色彩信息（蓝）
rgb_tft [2]	Output	K5	RGB色彩信息（蓝）
rgb_tft [1]	Output	G5	RGB色彩信息（蓝）
rgb_tft [0]	Output	G2	RGB色彩信息（蓝）