邏輯分析儀測(cè)試在基于FPGA的LCD顯示控制中的應(yīng)用

摘要：邏輯分析儀作為基礎(chǔ)儀器，應(yīng)該在基礎(chǔ)數(shù)字電路教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了基于FPGA的液晶顯示控制設(shè)計(jì)方案，通過使用OLA2032B邏輯分析儀，對(duì)控制線進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，保證設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，或者在設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題時(shí)，快速定位和解決問題。結(jié)果表明，邏輯分析儀在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試和分析中，起著很重要的作用。
關(guān)鍵字：LCD；邏輯分析儀；總線分析；觸發(fā)

一、引言
邏輯分析儀是數(shù)字設(shè)計(jì)驗(yàn)證與調(diào)試過程中公認(rèn)最出色的工具，它能夠檢驗(yàn)數(shù)字電路是否正常工作，并幫助用戶查找并排除故障。邏輯分析儀的主要特點(diǎn)是能夠同時(shí)觀察多個(gè)信號(hào)；能夠按高低電平、升降沿等模式觸發(fā)多條信號(hào)線，并查看結(jié)果。在基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，邏輯分析儀應(yīng)該與示波器處于同等重要的地位，但示波器的身影隨處可見，邏輯分析儀多數(shù)是紙上談兵，而且隨著很多仿真軟件的成熟，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上便可以觀察被控器件的輸出信號(hào)，這樣在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，就回避了價(jià)格昂貴、操作繁瑣、不易維修的邏輯分析儀，但軟件仿真與硬件輸出有時(shí)會(huì)有一定的差距，這就會(huì)造成設(shè)計(jì)結(jié)果與我們預(yù)想的結(jié)果不同，而且很難查找其原因，這就需要我們觀察硬件電路輸出的控制信號(hào)。本文針對(duì)邏輯分析儀的使用，主要介紹了OLA2032B獨(dú)立臺(tái)式邏輯分析儀在EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)典型的應(yīng)用——基于FPGA的液晶顯示控制設(shè)計(jì)方案。
二、LCD顯示控制原理簡介
1、LCD的顯示控制原理
實(shí)驗(yàn)的過程中使用了清華大學(xué)提供的EDA GW48-PK2教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，主要使用其中的液晶顯示模塊，此液晶顯示器為HS12864-3型液晶顯示器，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器和列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，包含七種指令，讀寫指令共用八路數(shù)據(jù)?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。
在實(shí)驗(yàn)箱上，可以由FPGA直接控制LCD液晶顯示器，如圖1所示，F(xiàn)PGA保存子模，生成繪圖指令，并根據(jù)指令生成相應(yīng)的時(shí)序，發(fā)送給LCD。LCD端的DDRAM控制器接收時(shí)序控制信號(hào)并將圖像顯示在液晶屏上。

液晶模塊的硬件構(gòu)成如圖2所示，液晶屏被分為左右兩個(gè)區(qū)域，它是通過片選信號(hào)CS0、CS1選擇當(dāng)前信號(hào)所控制的區(qū)域，讀寫指令共用八路數(shù)據(jù)，通過幾根控制線完成液晶顯示器的讀寫工作。該設(shè)備內(nèi)置64×64位的顯示存儲(chǔ)器DDRAM，顯示屏上各像素點(diǎn)的顯示狀態(tài)與DDRAM中的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，DDRAM的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。DDRAM中某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)為“1”，則液晶屏上相應(yīng)的像素點(diǎn)顯示；DDRAM中某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)為“0”，則液晶上相應(yīng)的像素點(diǎn)不顯示。圖2中，IC3為行驅(qū)動(dòng)器，IC1、IC2為列驅(qū)動(dòng)器，IC1、IC2、IC3中含有很多功能器件。

圖2 模塊主要硬件構(gòu)成

通過控制DI、RW、E、CS1和CS2這五個(gè)信號(hào)管腳的電平并向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，我們可以對(duì)液晶屏控制器進(jìn)行簡單的操作指令，如顯示開關(guān)設(shè)置、顯示起始行設(shè)置、地址指針設(shè)置和數(shù)據(jù)讀/寫等指令。這些指令可以分為兩類，即顯示狀態(tài)設(shè)置指令和數(shù)據(jù)讀/寫操作指令，根據(jù)控制指令表（表1）書寫操作指令。
其中：D/I：數(shù)據(jù)/指令標(biāo)志位，0表示數(shù)據(jù)總線上信號(hào)為指令，1表示數(shù)據(jù)總線上信號(hào)為數(shù)據(jù)；
R/W：讀/寫標(biāo)志位，0表示FPGA向數(shù)據(jù)總線上做寫操作，1表示FPGA讀數(shù)據(jù)總線。

表1 液晶屏控制指令表

如圖3所示，在設(shè)計(jì)的過程中，讀寫時(shí)序非常關(guān)鍵，為保證讀寫操作的正確性，可用邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試，主要觀察信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，以及讀寫的數(shù)據(jù)值的正確與否。讀寫時(shí)序有具體的時(shí)序參數(shù)要求，可以通過邏輯分析儀的測(cè)量功能，測(cè)量其中時(shí)間參數(shù)與讀取時(shí)序參數(shù)表對(duì)照，具體測(cè)量方法詳見下文。

圖3 讀寫操作時(shí)序

2、設(shè)計(jì)思路
LCD顯示控制器設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
1) LCD的讀寫是一個(gè)連續(xù)的過程，需要設(shè)置好起始地址后連續(xù)的進(jìn)行寫入，這需要一個(gè)狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)（LCD控制器）；
2) 向LCD發(fā)送指令之前需要確定LCD的狀態(tài)是否可以接收指令，即要先進(jìn)行讀狀態(tài)字的操作，這也需要一個(gè)狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)（LCD讀/寫接口）。
3) HS12864-3液晶屏自帶DDRAM，讀寫DB[7..0]實(shí)際上是和DDRAM交換數(shù)據(jù)。
4) 由于DDRAM為并行8位數(shù)據(jù)總線，為了發(fā)送數(shù)據(jù)盡可能簡單，建議在LCD模塊中采用雙向8位RAM。
5) 不斷刷新128*64的每一像素的數(shù)據(jù)，但只需產(chǎn)生數(shù)據(jù)向雙向RAM中刷新。無需關(guān)心如何繪制到LCD上。
三、使用邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試
1、設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題
在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)LCD模塊每隔一段時(shí)間可能產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的因素，左半屏可能會(huì)不顯示，有時(shí)出現(xiàn)滾屏的現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)在液晶顯示器上出現(xiàn)散點(diǎn)，或出現(xiàn)圖像混亂現(xiàn)象，如圖4所示。這種現(xiàn)象一般由于控制指令出現(xiàn)問題，控制線與數(shù)據(jù)線的時(shí)序關(guān)系出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)這種現(xiàn)象需要使用邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試。

圖4 液晶顯示的異?，F(xiàn)象

2、搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境
基于以上問題，需要我們搭建一套實(shí)驗(yàn)環(huán)境，查找液晶顯示過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)設(shè)備以邏輯分析儀為主，配備相應(yīng)的測(cè)試附件，如果希望存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者設(shè)置，還需要將邏輯分析與PC相連，利用邏輯分析儀的配套軟件，將所要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來。這樣便搭建了PC實(shí)時(shí)控制軟件＋OLA邏輯分析儀＋DUT待測(cè)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3、連接方式
在邏輯分析儀與被測(cè)電路相連時(shí)，一般邏輯分析儀的標(biāo)準(zhǔn)配件有兩種連接形式，一種是插針連接方式，這需要實(shí)驗(yàn)板上預(yù)留排針式的測(cè)試端口，這種情況一般出現(xiàn)在專業(yè)的測(cè)試板上，連接比較輕松；另一種是飛機(jī)頭連接方式，這種連接方式測(cè)試鉤非常小巧，可以隨意鉤在實(shí)驗(yàn)板的測(cè)試管腳，對(duì)實(shí)驗(yàn)板沒有特殊要求，如圖6所示。另外，我們北京海洋興業(yè)科技有限公司與美國Pomona公司合作提供很多其它形式的連接方式，如微型SMD測(cè)試夾、集成電路測(cè)試夾等等，根據(jù)用戶的需求建立不同的邏輯分析儀測(cè)試方案。

圖6 邏輯分析儀通過飛機(jī)頭連接被測(cè)電路

4、邏輯分析儀的使用
為了更方便、更快捷的解決設(shè)計(jì)中存在的問題，我們需要很好的使用邏輯分析儀，利用其獨(dú)有的特點(diǎn)和豐富的功能調(diào)試棘手的問題，所謂磨刀不誤砍柴工，如果可以很好地駕馭測(cè)試手段，就可以達(dá)到事半功倍的效果。下面我們主要介紹OLA2032B邏輯分析儀在這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中如何最大的發(fā)揮作用。
1) Auto-Scale功能
將邏輯分析儀的測(cè)試線與被測(cè)電路中想要觀察的信號(hào)管腳連接好之后，不需要任何設(shè)置，只要按下Auto-Scale功能鍵，待測(cè)信號(hào)便可以在屏幕上顯示，類似于數(shù)字示波器的Auto-Set功能，給邏輯分析儀的使用帶來前所未有的方便。如圖7所示，接入的13路信號(hào)全部顯示在屏幕上。

圖7 Auto-Scale功能

2) 總線形式顯示
由于邏輯分析儀的通道數(shù)很多，OLA2032B擁有32路數(shù)據(jù)通道，如果同時(shí)顯示這些信號(hào)，未免會(huì)顯得雜亂無章，這是我們需要總線形式顯示一組或幾組信號(hào)，每組的通道個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，并且每組的信號(hào)有高位或地位的順序關(guān)系。例如，此實(shí)驗(yàn)中，S0-S7是讀寫指令共用的數(shù)據(jù)通道，其它S8-S12為5路控制線，為了方便，可以將S0-S7設(shè)置成總線形式，并以十六進(jìn)制或者十進(jìn)制顯示，這樣可清晰的理解設(shè)計(jì)者的指令，如圖8所示，可以看出大部分時(shí)間寫入的數(shù)據(jù)為0，對(duì)照液晶顯示控制指令表，可以看出寫入的是液晶屏上空白的地方。

圖8 總線形式顯示

3) 通道命名
由于邏輯分析儀的通道數(shù)比較多，可以通過顏色來區(qū)分不同的通道，也可以給每一個(gè)通道命名，如圖所示，我們給每個(gè)通道定義與實(shí)際意義相符的名字，這樣就非常好區(qū)分，方便觀察時(shí)序關(guān)系。通道的命名可以在儀器上操作，也可以在計(jì)算機(jī)軟件上操作，后者使用計(jì)算機(jī)鍵盤，更加快捷。
4) 計(jì)算機(jī)軟件
OLA2032B邏輯分析儀可以通過一根USB電纜與計(jì)算機(jī)相連，通過配套軟件，可以讀取采集的信號(hào)數(shù)據(jù)和設(shè)置，可以在PC上控制儀器，并且讀取數(shù)據(jù)和控制儀器的速度都非常快，均可以達(dá)到USB2.0的速度，在計(jì)算機(jī)上顯示的信號(hào)波形基本與計(jì)算機(jī)上的波形同步，沒有延時(shí)。圖7圖8均為計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的圖片。
5) 觸發(fā)功能
同示波器類似，OLA2032B邏輯分析儀也具備豐富的觸發(fā)功能，包括高階的多階觸發(fā)、或階觸發(fā)等等。首先可以設(shè)置每個(gè)通道的狀態(tài)進(jìn)行觸發(fā)，如上升沿、下降沿、高電平、低電平等狀態(tài)；其次可以進(jìn)行脈沖寬度觸發(fā)，捕獲毛刺；另外可以進(jìn)行多階觸發(fā)、或階觸發(fā)，我們稱之為既并行又串行的觸發(fā)，這種觸發(fā)方式可以用來分析數(shù)據(jù)的包頭、包尾等。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們可以根據(jù)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系觸發(fā)指定位置，例如圖8的觸發(fā)方式為使能端EN的下降沿，這里只用到了最簡單的單通道下降沿觸發(fā)方式。
6) 觀察時(shí)序使用測(cè)量功能
如前所述，對(duì)于液晶屏幕的讀寫時(shí)序有嚴(yán)格的時(shí)間限制，如果顯示出現(xiàn)錯(cuò)誤，很可能是因?yàn)樽x寫時(shí)序以及其持續(xù)時(shí)間不滿足要求，所以我們需要使用邏輯分析儀的光標(biāo)測(cè)量功能來查找問題所在。OLA2032B提供了三組六根光標(biāo)，可以測(cè)量每根光標(biāo)對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)位置的時(shí)間差和沒組光標(biāo)兩根之間的時(shí)間差，這樣便可以將測(cè)量結(jié)果與液晶顯示器參數(shù)對(duì)照，查找問題所在。請(qǐng)對(duì)比圖8與圖3的時(shí)序關(guān)系。
四、使用邏輯分析儀的注意事項(xiàng)
1、輸入信號(hào)的電壓
由于數(shù)字信號(hào)的電平均較低，一般在5V以內(nèi)，所以邏輯分析儀的耐壓能力較差，所以盡量不要將電壓較高的信號(hào)，長時(shí)間的接入邏輯分析中。例如，邏輯分析儀有時(shí)也可以用來測(cè)量和分析一些串行總線，如I2C、SPI等串行總線，但是一般不用邏輯分析儀分析RS232總線，因?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/rs/" target="_blank">RS232的電平較高，超過了邏輯分析儀的耐壓能力。
2、信號(hào)閾值
閾值是判決信號(hào)為高電平或低電平的門限電平，所以對(duì)于同一個(gè)信號(hào)，對(duì)應(yīng)不同的閾值可能得到不同的結(jié)果，所以我們要根據(jù)實(shí)際情況選擇閾值大小，有些用戶想要雙閾值的判決，可是大多數(shù)邏輯分析儀沒有這項(xiàng)功能，一般將邏輯的域值設(shè)置成高電平的門限即可。
3、存儲(chǔ)深度
邏輯分析儀在采集信號(hào)時(shí)都會(huì)將采集到的信號(hào)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器(Memory)中，根據(jù)用戶的要求，需要采集多長時(shí)間、定時(shí)分辨率為多少來設(shè)置存儲(chǔ)深度，OLA2032B最大存儲(chǔ)深度為512Kbit/每通道。
4、數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的相關(guān)性
邏輯分析儀觀測(cè)到的信號(hào)，我們稱之為“偽信號(hào)”，只有高低電平之分，也就是說邏輯分析儀觀察到的信號(hào)只有水平軸是有意義的，它反映信號(hào)的時(shí)間關(guān)系，而垂直軸是沒有意義的，它并不代表幅度，如果信號(hào)出現(xiàn)了問題，尤其是串?dāng)_、毛刺等現(xiàn)象，我們要是想知道其來源以及產(chǎn)生原因，還需要與其它儀器相配合，如示波器、頻譜分析儀等等。

小結(jié)
本文介紹了邏輯分析儀在EDA教學(xué)中的應(yīng)用，通過OLA2032B邏輯分析儀調(diào)試基于FPGA的LCD顯示控制設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)。在測(cè)試的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)邏輯分析儀在基礎(chǔ)教學(xué)中起著很重要的作用，比示波器更適合調(diào)試數(shù)字電路。實(shí)踐證明，邏輯分析儀可以縮短我們的設(shè)計(jì)時(shí)間，解決其它儀器或者軟件解決不了的問題，并且它是多通道的時(shí)序分析的唯一解決方案，它可以同時(shí)看到硬件電路實(shí)際輸出的多路信號(hào)。我們北京海洋興業(yè)科技有限公司推出的OLA2032B邏輯分析儀，希望可以解決邏輯分析儀在基礎(chǔ)教學(xué)中作壁上觀的現(xiàn)狀，較高的性價(jià)比真正做到讓數(shù)字電路教學(xué)用得起邏輯分析儀。在這里非常感謝清華大學(xué)的老師給我們這樣好的平臺(tái)，使我們對(duì)我們的產(chǎn)品更有信心。

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