可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它設計方式靈活，具備軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。SOPC 在設計上以集成電路IP 核為基礎，而自行開發(fā)的SOPC IP 核，根據實際硬件資源和功能任務需求來定制顯示控制功能，可以增強系統(tǒng)可靠性和設計靈活性，降低了成本。目前針對LCD顯示設計的控制器IP 核文章較多[1-2],但對于TFT-LCD 觸控屏設計的控制器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容。

文中提出一種針對TFT-LCD 觸控屏控制器IP 核的設計方法。該控制器具有Avalon 總線接口，與其他標準IP 核一起構成以NiosⅡ為核心的片上系統(tǒng)。針對本設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)化設計， 提高了控制器對于不同LCD 屏的可復用性，最后通過對輸出緩沖FIFO 的使用，解決了數(shù)據讀出時鐘與像素時鐘不同步問題。

1 觸控屏控制器總體結構

在SDRAM 中開辟一段儲存空間， 用來存放屏幕圖像數(shù)據，稱之為幀緩存。通過設計適當?shù)挠布壿媮斫彺媾c屏幕圖像像素之間的一一對應關系，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)據不斷地輸送給觸控屏， 完成最終的顯示刷新， 其總體結構如圖1所示。

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

　　2 觸控屏控制器模塊設計

　　2.1 Avalon-MM Slave 接口模塊

　　本模塊掛載在Avalon 總線上作為從設備使用，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)信號的產生與轉換。通過從端口得到的數(shù)據分別賦值給相應的寄存器，寄存器分為：FIFO 地址寄存器、坐標寄存器、一幀數(shù)據長度寄存器。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，所以必須反復執(zhí)行幀緩存讀操作，因此本設計對上述讀操作進行了硬件加速。可以不斷地從FIFO 讀取圖像數(shù)據，并且在行、場和觸控屏顯示有效時間段讀取圖像數(shù)據，其它時間不讀圖像數(shù)據，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擔。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生、像素數(shù)據緩存寫操作控制、數(shù)據寬度的變換等功能。

　　2.3 觸控屏時序產生模塊

　　本文的觸控屏引出信號線有5 根：像素數(shù)據信號、觸控屏時鐘信號、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)范的時序進行驅動，其中，行、場同步信號分別用來標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， 當一幀數(shù)據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， 每次從FIFO 中讀取32 bit 數(shù)據并不斷送給LCD.顏色處理器將每一個字節(jié)作為一個像素數(shù)據，并將一個字節(jié)的像素數(shù)據轉換為3 個字節(jié)的RGB 數(shù)據。顏色處理器從同步FIFO緩沖器中讀取數(shù)據，當同步FIFO 緩沖器寫和讀相互不沖突時，同步FIFO 緩沖器產生讀請求，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一位數(shù)據。當寫信號有效時，將數(shù)據寫入相應的寄存器；當讀信號有效時，對應寄存器地址將數(shù)據輸出。通過從端口數(shù)據寫入來控制LCD 模塊，控制LCD 讀取圖像的首地址和讀取數(shù)據的長度。

　　圖2 從端口仿真波形圖

2）Avalon 主端口仿真與測試

　　Avalon 模塊的作用是響應Avalon 主端口的讀請求，并將FIFO 中的相應數(shù)據輸出給Avalon 主端口。通過讀信號和相應地址主端口，不斷地從FIFO 中讀取圖像數(shù)據，并按照LCD時序將圖像數(shù)據輸送給LCD.圖3 為Avalon 主端口從顯存中讀取數(shù)據時的仿真波形圖。

　　3）LCD圖像顯示模塊測試

　　LCD 顯示模塊是將從FIFO 中讀出的圖像數(shù)據在觸控屏上顯示出來。從圖4 可以看出， 當DEN 有效時， 將像素數(shù)據分為R、G、B 傳送給LCD,HCount 和VCount 為行計數(shù)器和場計數(shù)器，隨著LCD 時鐘將各個像素點傳送給觸控屏。

　　圖4 LCD 顯示的數(shù)據

　　4 基于SOPC 觸控屏系統(tǒng)硬件設計

　　基于SOPC 觸控屏系統(tǒng)硬件設計如圖5 所示， 其中，SDRAM 控制器實現(xiàn)處理器和SDRAM 之間的數(shù)據存取，包括SDRAM 存儲程序和字符、圖形以及顏色等數(shù)據；JTAGUART實現(xiàn)PC 和開發(fā)板通信， 主要用于調試， 從鍵盤輸入相應數(shù)據，然后通過NiosⅡ軟件調試處理器，將數(shù)據通過LCD 接口傳輸?shù)接|控屏上顯示出來[4].開發(fā)板采用大連宇華公司的H3C40-V6 開發(fā)板。板上的FPGA芯片為EP3C40F484C6, 觸控屏為4.3 英寸彩色數(shù)字TFT-LCD 觸控屏，分辨率800×484,可以顯示文字、彩圖等。板上自帶觸控屏顯示驅動器。

　　根據所用到的外設和器件特性，在SOPC Builder 中建立系統(tǒng)所要添加的外設模塊， 主要包括：NiosⅡ、SDRAM 控制器、JTAG UART、時鐘橋、三態(tài)橋、鎖相環(huán)PIO 等[5-6].設定好各個參數(shù)，再添加LCD 控制器，將LCD 控制器的Avalon 主端口接口連接到SDRAM 上。

　　創(chuàng)建的包含NiosⅡ系統(tǒng)的QuartusⅡ頂層模塊，如圖6所示。

　　5 基于SOPC 觸控屏系統(tǒng)軟件設計

　　根據硬件設計編寫軟件測試程序，以驗證LCD觸控屏顯示。首先往顯存中寫入預定的數(shù)據來初始化顯存，然后通過編程將相應的參數(shù)寫入LCD 的各個控制寄存器， 最后使能-LCD 控制器，以觀察顯示屏的顯示輸出是否正確。本設計采用C 語言編程，讓觸控屏顯示彩條。在NiosⅡIDE 軟件平臺上， 創(chuàng)建C/C++ 工程， 配置工程的系統(tǒng)屬性，然后編譯及運行程序。在編譯成功后，自動下載到硬件平臺上開始運行程序，這時在觸控屏上觀察到效果如圖7 所示， 圖中彩條顏色從上至下分別為紅、淺綠、藍、綠、粉、紅、紫、白、藍。

　　6 結論

　　采用自定義添加觸控屏接口控制模塊來定制用戶邏輯外設。使用硬件描述語言建立控制器模塊并進行仿真測試；采用參數(shù)化組件設計，使其具有較強的通用性和兼容性。該控制器IP核設計有效利用FPGA資源，節(jié)約成本，增強系統(tǒng)可靠性和設計靈活性，并且可移植性強。