在本教程中，我们将使用Verilog HDL设计一个数字电路，该电路与基于HD44780 LCD控制器/驱动芯片的通用LCD模块连接。Mojo V3 FPGA板将用于实现设计。本文中使用的LCD模块是1602A显示器。
HD44780兼容LCD模块
之前我们讨论了使用HD44780 LCD控制器/驱动芯片的LCD模块的详细信息。这些LCD模块的引脚排列如图1所示。图1.图片由AAC提供
如你所见，有三个控制引脚（RS、R / W和E）以及八个数据引脚（DB7至DB0）。对于写操作，我们需要对这些引脚施加适当的电压，如下面图2的时序图所示。图2.图片由HITACHI提供
上述时序图的不同延迟值如下表所示：表1.由HITACHI提供
有几条指令可用于配置LCD模块。下面列出了一些重要说明。
表2
路径1
我们想在液晶显示屏上显示“HELLO WORLD！”信息。让我们来看看数字系统需要与LCD模块通信的构建模块。我们需要一个ROM来存储消息字符的ASCII码。如图3所示，ROM的输出将连接到LCD模块的8个数据引脚。
图3
“HELLO WORLD！”消息有12个字符，我们可以使用128位ROM来存储消息。但是，让我们考虑为消息提供一个168位的ROM，这样我们就可以显示长达16个字符的消息（LCD第一行的长度）。如果我们的消息最长为16个字符，你可能想知道为什么上图显示的是一个208位ROM。这些额外的四个字节将用于存储与允许我们配置模块相关的LCD指令相关的数据。例如，如表2中所列，我们可以将十六进制值0x38应用于LCD数据引脚，以指定LCD模块应以8位长度接收/发数据。就像字符代码一样，命令的十六进制值应用于数据引脚，我们可以将这两个命令存储在同一个ROM中。
在本文中，我们将使用四个命令（0x38、0x06、0x0C和0x01）来配置LCD。你可以在表2中找到这些命令的简要说明。我们有一个208位ROM，其中前四个字节是0x38、0x06、0x0C和0x01。接下来的16个字节存储消息的ASCII码。考虑到图2的时序图，我们观察到应用于DB7-DB0的数据在一定时间内不应发生变化，以便LCD能够成功读取数据。如图3所示，我们需要一组D型触发器（DFF）来保持ROM地址（DB7-DB0）在一段时间内保持恒定。LCD读取数据后，我们需要将地址值增加1，将下一个字符/命令应用到LCD。如图4所示，应在DFF之前放置多路复用器和增量器。图4
使用多路复用器的选择输入，我们可以指定地址值应该保持不变（S1=0）还是增加（S1=1）。多路复用器有第三个选项，允许我们将地址值重置为00000。这也可以通过重置DFF来实现。我们将所有这些块称为路径1，如图所示。正如本文后面所讨论的，我们将使用S 1 信号来控制路径1 块内的电路。该地址寄存器信号将被用来监视路径1的状态。值得一提的是，虽然上图只显示了一个DFF，但实际上有五个DFF（因为20字节ROM需要一个5位地址总线）。
实现延迟
如上所述，应用于LCD控制输入的波形应遵循图2的时序图。在RW和RS引脚改变状态后，我们必须等待t AS，然后再将E引脚设置为逻辑高电平。然后，E上的从高到低的转换开始写操作。但是，在E的下降沿之前（t DSW）和之后（t H）的一段时间内，数据应该保持不变。为了成功地与LCD通信，我们必须实现延迟TAS、T DSW和t h。这可以通过计数器实现。由于我们有时需要暂停计数器或重置，我们将在计数器的DFF之前放置一个多路复用器。如下图5所示。图5
通过这种方式，我们可以使用S2输入来控制计数器，而cnt_reg输出将给出计数器的状态，这表示经过的时间。根据时序图，我们需要三个不同的时间延迟：tAS=40ns，tDSW=80ns，tH=10ns。注意到Mojo V3板的时钟频率为50 MHz（时钟周期为20 ns），我们可以计算每个时间延迟所需的计数。
事实证明我的16x2 LCD需要更长的延迟才能运行。这可能是因为我使用相对较长的电线和面包板来测试我的设计。在本文中，我将实现tAS=10ms和tH=3 ms。我会将E信号保持高电平58ms（PWEH=58 ms）。我的设计应该可以使用更短的延迟。你可以进行一些实验并根据你的设计调整这些数字。计数器需要多少位？选择延迟后，总延迟将为10+58+3ms=71 ms。考虑到Mojo的时钟周期（20 ns），从0到3549999可以实现71 ms的延迟。如图5所示，我们需要一个22位计数器。
控制路径
我们需要的最后一个构建块是一个 适当控制路径1和路径2块的单元，以便为LCD模块生成所需的波形。这可以通过有限状态机（FSM）实现，可以接收addr_reg和cnt_reg信号（路径1和路径2的状态）并生成适当的s1和s2信号。该FSM的初始设计如图6所示。图6
请注意，该图仅显示状态转换（未显示FSM的输出）。有三种状态：在空闲 状态期间，信号获得其初始值。所述lcd_init状态应用于液晶配置命令；这就是状态转换条件为addr_reg = 3 && cnt_reg = 3550000的原因。换句话说，我们有四个命令，并且当所述第四命令（addr_reg = 3）被施加到LCD 71毫秒（cnt_reg = 3550000）时，我们应该将消息数据发送到LCD lcd_print状态。当我们到达ROM的末尾（addr_reg = 19）时，我们应该等待71 ms（cnt_reg = 3550000），然后转换到空闲状态。项目的困难部分几乎完成了。现在，我们只需要设计FSM并编写其Verilog代码。
对于FPGA，我们通常必须在设计的最低层次上查看问题。我们所拥有的是逻辑门和一些基本构建模块，如加法器和比较器。虽然这使FPGA设计变得困难，但FPGA确实提供了几个优点。在本文中，我们研究了将FPGA与通用16x2 LCD模块连接的构建模块。需要ROM、一些DFF和多路复用器来实现FPGA到LCD接口。我们需要一个FSM来控制这些构建块。
