摘要

:在 EL 显示模块中,采用 CPLD 芯片可以实现数字电路的集成。这种方法有利于缩小模块体积,加快开发速度,提高模块电路的稳定性。在相关的接口电路中,采用 FPGA替代液晶显示器专用控制芯片,实现 EL 模块所需的接口时序及数据格式。这种方法具有较强的实用性及可升级性。

关键词

:复杂可编程逻辑器件(CPLD) ; 现场可编程逻辑门阵列(FPGA)

1 引言

复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)和现场可编程逻辑门阵列 FPGA(Field Programmable Gate Array) 都属于 ASIC 的一个重要分支。由于它们的集成度高,可重复编程,并能实现系统级编程(In System Programe) ,因此 ,便于工程师们采用尝试法,以省去传统的制版v修改 v再制版的繁琐过程。这样,不但大大缩短了产品开发时间 ,而且还减少了电路体积,提高了系统的稳定性。这些优点使它们的应用范围越来越广 ,已成为数字电路设计的一个方向。我们在设计电致发光(EL)显示器模块的驱动电路和接口电路时,分别采用了这两种器件,结果令人满意。

2 在 EL 显示模块驱动电路中引入 CPLD

2. 1 EL 显示驱动电路及 CPLD 在驱动电路中的应用

EL 显示器是一种主动发光型、全固态的平板显示器件 ,目前主要应用于军工、航天、车载系统及工业控制等领域。EL 显示模块主要由显示屏和驱动电路两部分组成。在 EL 显示模块结构设计中,厚度是一个很重要的参数。如果模块太厚,将会失去平板显示的优势。EL 显示屏的基板玻璃和盖玻璃两者的厚度加起来只有2～3mm ,对显示模块的厚度影响不会有多大。模块的厚度主要取决于驱动电路。

EL 显示模块的驱动电路主要由三部分组成: (1) 行列上的高压驱动芯片 (我们的行驱动芯片选用 HV70 ,列驱动芯片选用 HV577) ; (2) 开关电源及高压驱动波形产生电路; (3)各种控制信号产生电路。其结构如图1所示。在 EL 显示模块中,电路板的尺寸应与显示屏的尺寸一致, 才便于两者之间行、列引线的连接 ,这就限制了电路板的大小。在驱动电路板上 , 开关电源、驱动波形产生电路及分布在四周的驱动芯片占据了很大面积,留给控制信号产生电路的空间很小。特别是分辨率在 320 ×240 以下的显示模块, 其电路 控制信号板面积小于 11. 8cm ×8. 6cm , 即使采用双 列驱动芯片 CPLD面放置 SMD 元器件的方法, 留给控制信号产生电路的面积也只有 5～6cm 。若采用传统方法来设计控制信号产生电路,需要十几片通用芯片,必须增加一块 PCB 板。这将使设计出来的模块厚度明显增加,失去“平板”的优势。而且两块线路板之间需要连线,造成工艺复杂,可靠性下降。CPLD 控制电路是由可编程逻辑器件集成的全数字电路,可进行isp 级编程 ,调试方便,保密性好,不但解决了驱动电路的体积问题,减小了模块厚度,而且还有利于保护知识产权。

图 1 EL 显示模块驱动电路结构图

2. 2 CPLD 在 EL 驱动电路中的应用

我们根据控制电路的容量, 选用了 Xilinx 公司生产的 Xc9536 型 CPLD。Xc9536 具有236个宏单元(macrocells) ,800 个可用门,34个 I/O 口 ,工作频率可达 100MHz。其基本结构如图 2所示。

Xc9500 系列中的每一个器件都是由快速连接开关矩阵连接的功能块和 I/ O 块构成的子系统。其中 I/O 块为器件的输入输出提供缓冲区,功能块提供有 36个输入和输出的可编程逻辑。功能块中的宏单元通过配置可具有一个组合或寄存器的功能。通过对 I/O 块配置 ,可让信号从指定的端口输入或输出,使 CPLD 的应用更加灵活、方便。

采用 CPLD 的主要目的是便于对控制电路进行集成,其开发过程一般分为三个步骤:

( 1 )设计输入

本设计采用 Xilinx 公司提供的 Foundation Series 软件。该软件包括 Schmatic 编辑器 ,可输入原理图,同时支持 VHDL 、Verilog 及 Abel 6HDL 的 HDL 编辑器 。在设计时可任选一种编辑器,或混合使用。我们采用自上而下的设计方法:先绘制出系统的框图,然后向下细分 ,最低层直接调用元件库中的基本单元,或者采用 VHDL 或 Abel 语言进行硬件描述。这种自上而下的设计简化了顶层结构,便于阅读和查错修改。控制电路的顶层结构如图3所示。图中 Vs , Hs , Ck , Data 是显示模块所需的接口信号 ,BL ,Le , Oee , Oeo , PoL ,Notpol , BCK , RCK , q 7:0 为行、列驱动芯片及驱动波形产生电路所需的信号。

(2)软件仿真

完成设计输入后, 进行逻辑仿真及系统延时仿真。逻辑仿真时, 首先需列出仿真的节点 ,并建立输入信号的时序,然后进行仿真,观察各节点的结果。本电路由于信号变化频率不高( < 10MHz) ,在设计时已考虑到时间延迟,因此未做延时仿真。实测结果已达要求。

(3)将设计转换成可输入 CPLD 的配置文件

仿真完成后,将设计进行转换、合并、化简、分区划分、布局、布线、生成1Jed 文件 (对CPLD)或 1bit , 1mcs 文件(对 FPGA) 。这些文件就是我们最终需要的写入或编程逻辑器件的配置文件。用这些文件对器件进行配置,就可实现具体的电路功能。

将生成的配置文件通过 Xchecker 电缆 ,从计算机串行口传入 CPLD 的内存储器,并进行系统级调试(isp) 。isp 编程调试原理如图 4所示。

由于 CPLD 采用快闪烁 (Fast Flash) 技术 ,因此写入 CPLD 内的配置文件在系统掉电时不会丢失。同时,Xc9500 型 CPLD 设有读、写保密位,通过对保密位的设置,可防止非法拷贝。读、写操作保密等级设置见表1。

经过不断的修改调试,最终完成了 EL 模块驱动电路的设计。经测试,系统工作稳定,可靠性好 ,且整个 EL 模块厚度只有 2cm ,满足了作为实用产品的要求。

3 在 EL 显示模块接口电路中采用 FPGA

3. 1 EL 接口电路原理及 FPGA 在接口电路中的应用

用户在使用 EL 模块时 ,与点阵式液晶(LCD)模块一样,需提供场同步信号 Vs ,行同步信号 Hs ,数据 Data ,时钟 Ck 等接口时序信号。使用 EL 模块的场合不同,需要的接口电路也不同。目前世界上尚无统一的数字显示器接口标准。由于现阶段用于单片机系统的平板显示器较多,因此我们对单片机系统的 EL 接口电路做了一些探索。

虽然液晶显示模块接口电路有一些专用控制芯片, 如用于 STN LCD 的 6255 芯片等 ,但 6255 不能在场逆程时产生第一行的行正程脉冲,不适合作 EL 模块的接口电路。因此我们设计了适用于单片机系统的 EL 模块接口电路。该接口电路原理图如图5所示。电路主要由控制芯片、存储器组和数据输出处理三部分组成。当接口电路工作时,两片存储器交替执行读、写操作,其中一片存储用户数据时,另一片就将已存储的数据读出并送入数据处理器,处理成显示模块需要的数据格式,同时同步地产生 Vs、Hs、Ck 等信号。控制电路的设计是该接口电路设计的关键,由于它是全数字电路,所需计数器多,电路容量大,而可编程逻辑器件 FPGA 正好具有密度大, 逻辑门多, 且价格低廉等优点, 完全适合在接口电路中使用。

FPGA 的缺点是保密性差,不过 ,该接口电路是提供给用户参考使用的,不需保密。

3. 2 FPGA 在接口电路中的开发应用

我们选用的是 Spatran 系列的 XCS05 型 FPGA , 它具有 100 个可配置逻辑块 (CLBS)和 5000 个可用门,工作频率可达 50MHz , 而价格只有几美元,被认为是下一代ASIC 的替代品。该 FPGA 属逻辑单元型结构 ,由逻辑单元阵列(LCA)组成。LCA 中包括可配置的逻辑模块(CLB) ,输入输出模块(IOB)和互连资源(ICR)等三种逻辑单元。三者适当配置即可实现具体的电路功能。FPGA 的工作原理与开发步骤与 CPLD 相似 ,这里不再赘述,有兴趣的读者可参阅 Xilinx 公司的数据手册。

控制电路的作用是产生 Vs、Hs、Ck 以及存储器所需的读、写控制信号,其电路原理如图 6所示。

采用 FPGA 来设计接口电路不但调试方便,而且还有很强的灵活性,易于升级。改设计时 ,只需对 FPGA 内的文件进行修改,改变一些计数器的设定值即可,而不需要改变其他硬件电路。

在使用 FPGA 进行isp 级调试时, 有一点值得注意。与 CPLD 不同 , FPGA 采用的是RAM 技术 ,输入的配置文件在掉电时不能保存,所以在调试系统时不能掉电。调试完成后 ,需用一片 PROM 或 EPROM 来专门存放配置文件。每次系统上电时,FPGA 都要先从PROM 或 EPROM 中读入配置文件。由于 PROM 和 EPROM 的保密性差, 不能保护知识产权 ,因此 ,一般是将 FPGA 与 CPLD 混合使用,将部分内容以Jed 的格式写入 CPLD。这样就兼有了 FPGA 容量大和 CPLD 保密性强的优点。

4 小结

以上是我们在开发 EL 显示模块驱动电路及接口电路中使用 CPLD 和 FPGA 的初步尝试 ,这两种器件在平板显示器方面的作用还有待于进一步探索。

致谢 作者在开发过程中得到美国光阵公司的大力支持,谨致谢意。