• 【小月电子】XILINX FPGA开发板（XLOGIC_V1）系统学习教程-LESSON8 LCD1602液晶显示

    LCD1602显示例程讲解

    若要观看该博客配套的视频教程，可点击此链接

    在这里插入图片描述
    根据多年工作经验，总结出的FPGA的设计流程，概括起来总共有以上12步，其中根据项目难易度可省去其中一些步骤。比如非常简单的项目，我们可以省去虚线框里面的步骤，但是我们的入门级课程，即使再简单，也按照这12个步骤来进行讲解。

    1. 需求解读

    1.1 需求

    在液晶屏第一行显示“HELLO FPGA 1234!”

    1.2 知识背景

    1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM，显示效果也不好)。
    LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。一般来说，LCD1602有16条引脚，据说还有14条引脚的，与16脚的相比缺少了背光电源A(15脚)和地线K(16脚)。实物如下图所示：
    在这里插入图片描述
    引脚定义如下：
    在这里插入图片描述

    说明：

    1. VSS接电源地。
    2. VDD接+5V。
    3. VO是液晶显示的偏压信号，可接10K的电位器用于调节显示效果。
    4. RS是命令/数据选择引脚，当RS为低电平时，选择命令；当RS为高电平时，选择数据。
    5. RW是读/写选择引脚，当RW为低电平时，向LCD1602写入命令或数据；当RW为高电 平时，从LCD1602读取状态或数据。如果不需要进行读取操作，可以直接将其接VSS。
    6. E，执行命令的使能引脚。
    7. D0—D7，并行数据输入/输出引脚 。
    8. A背光正极，与VDD相连接。
    9. K背光负极，接VSS。
      在这里插入图片描述
    写操作时序

    在这里插入图片描述

    时序参数

    1.3 硬件设计

    在这里插入图片描述

    有源晶振

    在这里插入图片描述

    液晶接口电路图

    在这里插入图片描述

    FPGA管脚映射图

    在这里插入图片描述

    PCB板上管脚标注

    在这里插入图片描述

    LCD1602液晶与开发板管脚连接图

    1.4 接口说明

    信号名方向FPGA管脚号说明
    CLK50M输入B10时钟信号，50MHZ
    LCD_RS输出K12命令/数据选择引脚，当RS为低电平时，选择命令；当RS为高电平时，选择数据
    LCD_RW输出L16是读/写选择引脚，当RW为低电平时，向LCD1602写入命令或数据；当RW为高电平时，从LCD1602读取状态或数据
    LCD_CLK输出K15执行命令的使能引脚
    LCD_DB0输出H15并行数据输入/输出引脚
    LCD_DB1输出H13并行数据输入/输出引脚
    LCD_DB2输出D14并行数据输入/输出引脚
    LCD_DB3输出C15并行数据输入/输出引脚
    LCD_DB4输出F12并行数据输入/输出引脚
    LCD_DB5输出A10并行数据输入/输出引脚
    LCD_DB6输出G6并行数据输入/输出引脚
    LCD_DB7输出G5并行数据输入/输出引脚

    2. 绘制理论波形图

    在这里插入图片描述

    理论波形图

    3.新建ISE工程

    为了让工程看起来整洁，同时方便工程移植。我们新建4个文件夹，分别是Project，Source，Sim，Doc。
    Project — 工程文件夹，里面放的ISE工程
    Source — 源代码文件夹，里面放的工程源码（.v文件或.vhd文件）
    Sim — 仿真文件夹，里面放的仿真相关的文件
    Doc — 存放相关资料，比如数据手册，需求文档等

    4.编写代码

    ///
//QQ:3181961725
//TEL/WX:13540738439
//作者：Mr Wang
//模块介绍：LCD1602显示驱动
///
module lcd ( 
	input 				clk		,//系统时钟输入50M
	input				rst_n	,//复位，低电平有效
 	output 	reg	[7:0] 	dat		,//LCD的8位数据口
 	output  reg			rs		,//数据命令选择信号，高电平表示数据，低电平表示命令
 	output				rw		,//读写标志，高电平表示读，低电平表示写，该程序我们只对液晶屏进行写操作
 	output				en		//LCD的控制脚
 );
 reg	[15:0]	counter	; 
 reg 	[ 5:0] 	current	; 
 reg 			clkr	; 
 reg			e		;
 //定义了LCD状态机需要的状态。
 parameter  set0 =6'd0; 
 parameter  set1 =6'd1; 
 parameter  set2 =6'd2; 
 parameter  set3 =6'd3; 
 parameter  set4 =6'd4;   
 parameter  dat0 =6'd5; 
 parameter  dat1 =6'd6; 
 parameter  dat2 =6'd7; 
 parameter  dat3 =6'd8; 
 parameter  dat4 =6'd9; 
 parameter  dat5 =6'd10;
 parameter  dat6 =6'd11; 
 parameter  dat7 =6'd12; 
 parameter  dat8 =6'd13; 
 parameter  dat9 =6'd14;
 parameter  dat10=6'd15; 
 parameter  dat11=6'd16;
 parameter	dat12=6'd17;  
 parameter	dat13=6'd18; 
 parameter	dat14=6'd19; 
 parameter	dat15=6'd20; 
 parameter  fini=6'hF1; 
always @(posedge clk or negedge rst_n)         //da de data_w1 zhong pinlv 
 begin 
 	if(!rst_n)
 		begin
 			counter<=0;
 			clkr<=0;
 		end
 	else
 		begin
  			counter<=counter+1; 
  			if(counter==16'h000f)  
  				clkr<=~clkr; 
  			else
  				;
  		end
end 
always @(posedge clkr or negedge rst_n) 
begin 
	if(!rst_n)
		begin
			current<=set0;
			dat<=0;
			rs<=0;
			e<=1;
		end
	else
		begin
  			case(current) 
    		set0:   begin  e<=0;rs<=0; dat<=8'h38; 	current<=set1; 		end //*设置8位格式,2行,5*7*
    		set1:   begin  e<=0;rs<=0; dat<=8'h0C; 	current<=set2; 		end //*整体显示,关光标,不闪烁*/  
    		set2:   begin  e<=0;rs<=0; dat<=8'h06; 	current<=set3; 		end //*设定输入方式,增量不移位*/  
    		set3:   begin  e<=0;rs<=0; dat<=8'h01; 	current<=set4; 		end //*清除显示*/   
			set4:   begin  e<=0;rs<=0; dat<=8'h80; 	current<=dat0; 		end //设置显示第一行
    		dat0:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="H"; 	current<=dat1; 		end    
    		dat1:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="E"; 	current<=dat2; 		end 
    		dat2:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="L"; 	current<=dat3; 		end 
    		dat3:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="L";	current<=dat4; 		end 
    		dat4:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="O"; 	current<=dat5; 		end 
    		dat5:   begin  e<=0;rs<=1; dat<=" "; 	current<=dat6; 		end 
    		dat6:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="F"; 	current<=dat7; 		end 
    		dat7:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="P";	current<=dat8; 		end 
    		dat8:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="G"; 	current<=dat9; 		end 
    		dat9:   begin  e<=0;rs<=1; dat<="A";	current<=dat10 ; 	end 
    		dat10:  begin  e<=0;rs<=1; dat<="!"; 	current<=dat11; 	end 
    		dat11:  begin  e<=0;rs<=1; dat<="1"; 	current<=dat12; 	end 
    		dat12:  begin  e<=0;rs<=1; dat<="2"; 	current<=dat13; 	end 
			dat13:  begin  e<=0;rs<=1; dat<="3"; 	current<=dat14; 	end 
			dat14:  begin  e<=0;rs<=1; dat<="4"; 	current<=dat15; 	end 
			dat15:  begin  e<=0;rs<=1; dat<="6"; 	current<=fini; 		end 
    		fini:   begin  e<=1;rs<=0; dat<=8'h00;       				end
   			default:   current<=set0; 
    		endcase 
    	end
 end 
assign en=clkr|e; 
assign rw=0; 
endmodule  

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    5.编写仿真测试激励文件

    `timescale 1ns/1ns
module lcd1602_tb;
	reg					clk		;
	reg					rst_n	;
initial
begin
	clk = 0;
	rst_n=0;
	#1000
	rst_n=1;
end
always #10 clk=~clk;
lcd Ulcd( 
	.clk		(clk),//系统时钟输入50M
	.rst_n		(rst_n),//复位，低电平有效
 	.dat		(),//LCD的8位数据口
 	.rs			(),//数据命令选择信号，高电平表示数据，低电平表示命令
 	.rw			(),//读写标志，高电平表示读，低电平表示写，该程序我们只对液晶屏进行写操作
 	.en			()//LCD的控制脚
 );
endmodule


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    6.Modelsim仿真

    Modelsim仿真一般有两种方法

    1. 图形化界面仿真，即所有的操作都是在Modelsim软件界面上来完成，该方式的优点是，简单易学，适用于简单的项目，缺点是操作步骤繁琐。

    2. 批处理仿真，这种方式在仿真前需要编写相应的脚本文件，该方式的优点是，一键即可完成仿真，省时省力，缺点是前期需要编写脚本文件。前两讲采用的是图形化界面仿真的方式；为了更贴近工程实际，从第三讲开始，我们就采用批处理方式仿真。具体操作步骤可参考我们的视频教程
      仿真出的波形如下图所示：
      在这里插入图片描述

    7.对比波形图

    将第二步绘制的理论波形图与第六步Modelsim仿真出来的波形图进行对比，结果一致，说明我们的逻辑设计是正确的。如果发现比对结果不一致，就需要找到不一致的原因，最终要保证对比结果一致。通过对比，理论波形与仿真波形一致，说明功能符合设计要求。

    8.绑定管脚（编写UCF文件）

    NET "clk" TNM_NET = "clk";
TIMESPEC TS_sys_clk_i = PERIOD "clk" 20 ns HIGH 50 %;
NET "clk" 			LOC = B10	| IOSTANDARD = LVCMOS33 ;

NET "rst_n" 		LOC = E4	| IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET "en" 			LOC = K15	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "rw" 			LOC = L16	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "rs" 			LOC = K12	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[7]" 		LOC = G5	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[6]" 		LOC = G6	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[5]" 		LOC = A10	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[4]" 		LOC = F12	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[3]" 		LOC = C15	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[2]" 		LOC = D14	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[1]" 		LOC = H13	| IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "dat[0]" 		LOC = H15	| IOSTANDARD = LVCMOS33;



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    9.添加.v和.ucf文件

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    10.编译综合，同时将未使用管脚设置为悬空状态

    1.设置未使用管脚为悬空状态
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    2.编译综合
    在这里插入图片描述

    11.下载BIT文件

    编译综合成功后便可以将生成的BIT文件下载到开发板（记得插上下载器，同时开发板上电）
    1.打开IMPACT
    在这里插入图片描述

    2.搜索器件

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    3.选择bit文件

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    下载成功后，便可以观察到开发板上的实验现象，如果实验现象与设计需求相符，那说明我们的设计是没有问题的，即可进行下一步生成MCS文件

    12.生成MCS文件，同时固化到配置芯片中

    FPGA有一个特性，就是掉电后配置信息会丢失，所以我们需要将配置信息存储在配置芯片（FLASH）中，待开发板上电后，FPGA便会读取配置芯片中的配置信息，这样开发板掉电再上电后同样可正常工作。要将程序固化到配置芯片，需要先生成MCS文件。
    BIT文件转换成MCS文件步骤：

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    固化MCS文件
    在这里插入图片描述
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    在这里插入图片描述
    固化成功后，开发板断电再重新上电，可以观察到开发板仍然可以执行刚刚的功能。

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