【正点原子FPGA连载】第三十二章RTC实时时钟LCD显示实验 -摘自【正点原子】新起点之FPGA开发指南_V2.1
1）实验平台：正点原子新起点V2开发板
2）平台购买地址：https://detail.tmall.com/item.htm?id=609758951113
2）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-300792-1-1.html
3）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：994244016
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第三十二章RTC实时时钟LCD显示实验
我们在“RTC实时时钟数码管显示实验”中成功的在数码管上显示了日期和时间。本章我们在“RTC实时时钟数码管显示实验”的基础上稍作修改，在LCD屏上显示日期和时间。
本章包括以下几个部分：
3131.1简介
31.2实验任务
31.3硬件设计
31.4程序设计
31.5下载验证
32.1简介
我们在“RTC实时时钟数码管显示实验”中对PCF8563实时时钟芯片作了详细的介绍，如果大家对这部分内容不是很熟悉的话，请参考“RTC实时时钟数码管显示实验”中的简介部分。
32.2实验任务
本节的实验任务是通过新起点开发板上的PCF8563实时时钟芯片，在RGB-LCD液晶屏上显示日期和时间。
32.3硬件设计
PCF8563部分的硬件设计原理在“RTC实时时钟数码管实验”中已作了详细的介绍，请参考“RTC实时时钟数码管实验”中的硬件设计部分。
32.4程序设计
根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：首先通过I2C总线向PCF8563写入初始日期值（年月日）和时间值（时分秒），然后不断地读取日期和时间数据，并将读到的时间数据显示到LCD上。由此画出系统的功能框图如下图所示：
图 32.4.1 系统框图
由系统框图可知，FPGA顶层模块例化了以下三个模块、分别是IIC驱动模块（i2c_dri）、PCF8563控制模块（pcf8563_ctrl）以及LCD字符显示模块（lcd_disp_char）。
各模块端口及信号连接如下图所示：
图 32.4.2 顶层模块原理图
PCF8563控制模块通过调用IIC驱动模块来实现对PCF8563实时时钟数据的配置和读取；并将读到的值（年、月、日、时、分和秒）输出给LCD字符显示模块来显示。
顶层模块主要完成对其余模块的例化，其中I2C驱动模块（i2c_dri）程序与“EEPROM读写实验”章节中的IIC驱动模块（i2c_dri）程序完全相同，有关IIC驱动模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”。pcf8563控制模块（pcf8563_ctrl）与“RTC实时时钟数码管显示实验”章节中的pcf8563控制模块完全相同，此处不再赘述。
LCD字符显示模块（lcd_disp_char）的代码由“RGB-LCD字符和图片显示”实验的代码修改而来，除lcd_disp_char顶层模块外，唯一不同的地方在LCD显示模块。
LCD显示模块的代码如下所示：
1 module lcd_display(
2 input lcd_pclk ,
3 input rst_n ,
4
5 //日历数据
6 input [7:0] sec, //秒
7 input [7:0] min, //分
8 input [7:0] hour, //时
9 input [7:0] day, //日
10 input [7:0] mon, //月
11 input [7:0] year, //年
12
13 //LCD数据接口
14 input [10:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
15 input [10:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
16 output reg [15:0] pixel_data //像素点数据
17 );
18
19 //parameter define
20 localparam CHAR_POS_X_1 = 11'd1; //第1行字符区域起始点横坐标
21 localparam CHAR_POS_Y_1 = 11'd1; //第1行字符区域起始点纵坐标
22 localparam CHAR_POS_X_2 = 11'd17; //第2行字符区域起始点横坐标
23 localparam CHAR_POS_Y_2 = 11'd17; //第2行字符区域起始点纵坐标
24 localparam CHAR_WIDTH_1 = 11'd80; //第1行字符区域的宽度，第1行共10个字符(加空格)
25 localparam CHAR_WIDTH_2 = 11'd64; //第2行字符区域的宽度，第2行共8个字符(加空格)
26 localparam CHAR_HEIGHT = 11'd16; //单个字符的高度
27 localparam WHITE = 16'hffff; //背景色,白色
28 localparam BLACK = 16'h0000; //字符颜色,黑色
29
30 //reg define
31 reg [127:0] char [9:0] ; //字符数组
32
33 //*****************************************************
34 //** main code
35 //*****************************************************
36
37 //字符数组初始值,用于存储字模数据(由取模软件生成,单个数字字体大小:16*8)
38 always @(posedge lcd_pclk ) begin
39 char[0] <= 128'h00000018244242424242424224180000 ; // "0"
40 char[1] <= 128'h000000107010101010101010107C0000 ; // "1"
41 char[2] <= 128'h0000003C4242420404081020427E0000 ; // "2"
42 char[3] <= 128'h0000003C424204180402024244380000 ; // "3"
43 char[4] <= 128'h000000040C14242444447E04041E0000 ; // "4"
44 char[5] <= 128'h0000007E404040586402024244380000 ; // "5"
45 char[6] <= 128'h0000001C244040586442424224180000 ; // "6"
46 char[7] <= 128'h0000007E444408081010101010100000 ; // "7"
47 char[8] <= 128'h0000003C4242422418244242423C0000 ; // "8"
48 char[9] <= 128'h0000001824424242261A020224380000 ; // "9"
49 end
50
51 //不同的区域绘制不同的像素数据
52 always @(posedge lcd_pclk or negedge rst_n ) begin
53 if (!rst_n) begin
54 pixel_data <= BLACK;
55 end
56
57 //在第一行显示年的千位 固定值"2"
58 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X_1)
59 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X_1 + CHAR_WIDTH_1/10*1)
60 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y_1)
61 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y_1 + CHAR_HEIGHT) ) begin
62 if(char [2] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y_1 - pixel_ypos)*8
63 - (pixel_xpos-CHAR_POS_X_1) -1 ] )
64 pixel_data <= BLACK; //显示字符为黑色
65 else
66 pixel_data <= WHITE; //显示字符区域背景为白色
67 end
由于代码较长，此处省略部分代码。
245 //在第二行显示秒的个位
246 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X_2 + CHAR_WIDTH_2/8*7)
247 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X_2 + CHAR_WIDTH_2)
248 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y_2)
249 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y_2 + CHAR_HEIGHT) ) begin
250 if(char [sec[3:0]] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y_2 - pixel_ypos)*8
251 - (pixel_xpos-(CHAR_POS_X_2 + CHAR_WIDTH_2/8*7)) -1 ])
252 pixel_data <= BLACK;
253 else
254 pixel_data <= WHITE;
255 end
256
257 else begin
258 pixel_data <= WHITE; //屏幕背景为白色
259 end
260 end
261
262 endmodule
我们的显示内容首先分成两行，第一行显示年月日，第二行显示时分秒。程序中第19至28行代码定义了一些参数，前4个参数定义每一行字符显示的参考点，结合具体参数值我们知道：第一行是（1，1），第二行是（17，17），接着后面两个参数分别定义了每一行各自显示的宽度（长度），分别是80和64，最后两个参数定义了字符的颜色和背景色，字符颜色为黑色，背景色为白色。
代码第31行定义了一个元素个数为10，每个元素的位宽为128位的数组（char），这10个元素分别对应阿拉伯数字0~9的字模数据，每一个字模（数字）所占的像素大小是长16个像素，宽8个像素，共16*8=128位像素数据。这里将一个数字的字模数据存放在了数组的一个元素中，因此数组元素的位宽是128位。
在代码的第38到49行分别为数组中的每一个元素进行赋值，将从字模软件中得到的字模数据（0~9）赋值给数组中的每一个元素，其中一个数字的字模数据共需要128个像素点，对应，每一个元素的128位。这里以数字0产生的字模数据为例，示意图如下图所示：
图 32.4.3 数字“0”产生字模示意图
由上图可知，实际上我们把X方向和Y方向的的所有数据都放在了一行上，使用时可以把它看成一个二维数组，大小为16*8bit，即16行，每一行有8位数据。
代码第57到67行是一个具体的字符显示的逻辑。首先判断当前像素坐标的位置，如代码第58到61行，如果处在字符显示的区域则开始根据字符数组值来显示像素。显示时，数组参数pixel_xpos，pixel_ypos分别从小到大取不同的值时，代入数组，此时我们实际上就是在从左到右，从上到下扫描一个字符像素平面，pixel_xpos变化对于行扫描，pixel_ypos则对于列扫描。
对于62行的代码 “ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y_1 - pixel_ypos)*8”，我们不难理解“*8”的由来，因为在查找数组元素的时候，pixel_ypos的每次变化代表换到下一行扫描，一行跨过8个数据，所有乘以8。这里总结一下：字符数组一行的128个数据从高位到低位，每8位代表另一行，分别对应点阵中该行从左向右的每一个像素点。
62行到63行是对数组的每个元素分别赋值，具体是数组元素为1的点赋值为黑色，否则为白色。
往下，每一个字符显示逻辑的分析和上面类似，请大家自行分析。
程序中第37至49行代码初始化字符数组的值，即数字“0”~“9”的字模数据，由取模软件生成，先将软件设置成字符模式，取模软件的设置如下：
图 32.4.4 字符软件设置
这里将点阵设置为16，即一个数字的字符用一行来表示。
生成字模的界面如下：
图 32.4.5 生成字模的软件设置
程序中第51行至260行代码根据输入的日期、时间和字符区域的坐标显示在LCD上，字符颜色为黑色，背景色为白色。
32.5下载验证
首先将FPC排线一端与RGB-LCD模块上的J1接口连接，另一端与新起点开发板上的RGB-LCD接口连接。然后将下载器一端连电脑，另一端与开发板上的JTAG端口连接，最后连接电源线，并打开电源开关。接下来下载程序，程序下载完成后观察RGB-LCD液晶屏上显示出日期和时间，并且时间在不断的计时，如下图所示，说明RTC实时时钟实验验证成功。
图 32.5.1 实验结果
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