在傳統的工業控制應用中，由于工業控制計算機中集成了高性能的顯卡，故通常采用工業控制計算機＋液晶顯示器的體系結構，可方便地實現以圖形和字符為主的人機界面。而在對實時性能和可靠性要求比較高的航空航天領域，通常要求液晶顯示器內部集成圖形顯示功能，以減輕主控處理器的負擔，并提高系統的實時性。重點介紹了如何利用ＦＰＧＡ實現基于Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ算法的２Ｄ圖形繪制（包括畫點、畫線、畫圓、畫橢圓），以及點陣字符和位圖在液晶屏上的顯示，并提出了顯示性能優化的一系列策略。經過仿真驗證和產品實際應用，該設計方法實現的液晶顯示模塊圖形和字符顯示功能穩定，性能良好，適合于航空航天領域高可靠性液晶顯示模塊的應用需求。

　　１　引　　言

　　在傳統的工業控制應用中，多采用Ｘ８６架構的工業控制計算機，計算機外置或集成顯卡輸出ＶＧＡ／ＤＶＩ視頻信號，由液晶顯示器完成顯示功能。在這種架構下采用軟件編程實現人機界面比較方便。而在嵌入式系統領域，尤其是航空航天儀表顯示設備的信息顯示領域，對顯示任務的可靠性和實時性要求很高。一方面需要減少設備內部的模塊及互聯總線，以提高設備的可靠性并降低功耗；另一方面，設備所選用的高可靠性處理器性能通常較低，需要專門的硬件加速器輔助完成顯示功能。硬件加速器主要完成字符顯示、圖表繪制及液晶屏驅動等功能，以減輕處理器的負擔，提高外部通信總線處理的實時性。基于ＦＰＧＡ的液晶顯示驅動及圖形加速器就是為了滿足顯示儀表設備而設計的。由于液晶顯示模塊內部集成了圖形和顯示功能，對設備主機處理器的性能要求大大降低，這樣就可以采用低性能、可靠性高的處理器來承擔顯示控制任務。

　　２　系統結構

　　２．１　總體結構

　　儀表設備系統結構圖如圖１所示，由數據采集與通訊主機和液晶顯示模塊組成。

　　２．２　數據采集與通訊主機

　　數據采集與通訊主機采用５１系列單片機，外接Ａ／Ｄ采集、ＣＡＮ等接口，主要完成數據采集、通信及向液晶顯示模塊發送頁面顯示命令等功能。

　　２．３　接口

　　液晶顯示模塊與設備主機間為ＲＳ４２２串行接口，通訊波特率為２００ｋｂｉｔ／ｓ，數據傳輸協議是自定義的，由幀頭、數據包長度、命令、參數、校驗和構成，單個數據包最大長度為２５６字節。

　　幀頭：為０ｘＥＢ、０ｘ９０兩字節，為整個數據幀的通訊過程提供同步功能；

　　字節長度：１字節，數據幀格式中指令的總字節數，最大不超過２５５字節。

　　指令：液晶顯示模塊操作指令內容，包括命令和參數，表１給出了部分操作指令格式及含義；

　　校驗：１字節，“字節長度”和“指令”字段的累加和，以校驗數據幀的正確性。

　　２．４　液晶顯示模塊

　　液晶顯示模塊，相當于小型液晶顯示終端，由液晶屏及其ＴＣＯＮ 板、背光、圖形加速及顯示控制板組成。

　　液晶顯示模塊需完成的繪圖命令有：屏幕擦除（背景填充）、畫點、畫線、畫矩形、畫橢圓、畫圓、字符串顯示、自定義字顯示、圖片顯示、塊拷貝、塊粘貼等功能，以及字庫及圖片下載功能。除此之外，還有液晶屏亮度調節及狀態管理等命令。

　　２Ｄ繪圖指令定義見表１。

　　本設計選用的液晶屏為ＮＥＣ公司的１６．５ｃｍ（６．５ｉｎ）ＴＦＴ彩色液晶顯示屏，分辨率為６４０×４８０，液晶屏自帶ＴＣＯＮ板，其接口為１８ｂｉｔ數字ＲＧＢ信號。

　　３　ＦＰＧＡ設計實現

　　ＦＰＧＡ在本設計中完成的工作主要是：一方面，進行數據接收并解析，根據命令進行圖形繪制操作，生成顯示幀存儲寫操作數據流，最后將要改寫的數據寫入ＳＤＲＡＭ 存儲器中；另一方面，根據液晶屏同步信號時序要求，將幀存中顯示區的數據定時地讀出，生成液晶屏驅動數據流；其次，ＦＰＧＡ內部還具有ＰＷＭ 信號生成模塊，可調節液晶顯示屏的亮度。

　　３．１　ＦＰＧＡ器件選型

　　ＦＰＧＡ選用Ｘｉｌｉｎｘ　２Ｖ３０００系列［１］，該器件具有２８　６７２個ＬＵＴ單元和個２８　６７２個觸發器以及９６個ＢｌｏｃｋＲＡＭｓ，便于實現大規模控制邏輯及ＦＩＦＯ、Ｂｕｆｆｅｒ等；另外，ＦＰＧＡ 內部具有ＤＣＭ，可將外部６５ＭＨｚ時鐘轉為２５ＭＨｚ時鐘，用于液晶屏驅動時鐘，并可內部經分頻產生１ｋＨｚ　ＰＷＭ信號，用于液晶屏背光亮度調節。