基于FPGA與STM32的液晶檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

徐虎

（廣州航海學(xué)院 廣東 廣州　510725）

基于FPGA與STM32的液晶檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

徐虎

（廣州航海學(xué)院 廣東 廣州510725）

為了精確檢測(cè)出不同款式液晶中存在的缺陷，采用FPGA的運(yùn)行速度快、精度高、抗干擾性強(qiáng)，以及STM32自帶存儲(chǔ)功能和FSMC雙向通信功能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于FPGA與STM32的液晶檢測(cè)電路。通過(guò)液晶各廠家的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，基于FPGA與STM32的液晶檢測(cè)電路能夠準(zhǔn)確、方便的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，具有較高的市場(chǎng)價(jià)值。

液晶；FPGA；STM32；FSMC通信

液晶顯示器（LCD）由于其體積小、能耗低、顯示效果好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)和生活中。據(jù)Display Search調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2011年全球的液晶電視出貨量已達(dá)到2.06×108臺(tái)。在歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家普及率已達(dá)到100%。在中國(guó)，由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及國(guó)家政策的大力扶持，如：家電下鄉(xiāng)等等，液晶電視等液晶顯示產(chǎn)品早已進(jìn)入千家萬(wàn)戶。另一方面，隨著通訊技術(shù)的突飛猛進(jìn)，液晶顯示技術(shù)在通訊與交互領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。如手機(jī)、平板、還有各種液晶廣告屏等［1］。由此可見，液晶顯示屏的需求量之大，應(yīng)用之廣，涉及的行業(yè)領(lǐng)域之多預(yù)示著它廣闊的發(fā)展前景，特別是在中國(guó)這樣一個(gè)人口大國(guó)，其市場(chǎng)潛力更是其它國(guó)家所無(wú)法比擬的。

然而，液晶屏在生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)量較大，難免會(huì)出現(xiàn)劣質(zhì)產(chǎn)品。生產(chǎn)廠商必須在液晶屏流入市場(chǎng)之前檢測(cè)出其中的不合格產(chǎn)品，以免造成更大的損失。所以，如何快速、準(zhǔn)確、有效的檢測(cè)出劣質(zhì)液晶屏，挖掘劣質(zhì)液晶的潛在價(jià)值，已成為各大液晶廠家關(guān)注的技術(shù)創(chuàng)新之一。隨著液晶檢測(cè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，已有很多較成熟的液晶檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用，如使用單片機(jī)、STM32、FPGA等［2-3］。然而，現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多可改進(jìn)的地方：一個(gè)就是測(cè)試裝置的精準(zhǔn)度與抗干擾性，另一方面就是產(chǎn)品的通用性，是否能適合多款液晶的檢測(cè)。

文中提出的這種設(shè)計(jì)方案，利用FPGA與STM32相結(jié)合的方法，不僅精準(zhǔn)度高、抗干擾性強(qiáng)，而且具有一定的通用性，方便操作。

1　設(shè)計(jì)方案比較

1.1采用51單片機(jī)

51單片機(jī)具有價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、組合邏輯能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，其接口少，并且功能單一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足檢測(cè)過(guò)程中的多接口產(chǎn)品。另一方面，其運(yùn)行速度慢，精度低，在檢測(cè)過(guò)程中給電路的參數(shù)設(shè)置和程序調(diào)試帶來(lái)諸多不便。

1.2采用STM32

STM32是為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。它兼具51單片機(jī)的一切優(yōu)點(diǎn)，并且也彌補(bǔ)了它的不足，不僅增加了大量的接口，而且其接口功能也得到了增強(qiáng)。除此之外，其運(yùn)行速度得到大幅提升，時(shí)鐘頻率能達(dá)到72 MHz。但其程序運(yùn)行方式為順序執(zhí)行，這嚴(yán)重影響電路系統(tǒng)的運(yùn)行精度，增加了我們軟件編程的難度。除此之外，對(duì)于一些要求高頻率的小波測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)品，使用STM32進(jìn)行檢測(cè)還存在很大的誤差。所以單獨(dú)使用STM32作為我們的主控芯片還是不能較好的滿足我們的要求。

1.3采用FPGA

FPGA是一個(gè)可編程邏輯器件，可通過(guò)編程組成一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其組合邏輯能力強(qiáng)，時(shí)序?qū)崿F(xiàn)能力更是單片機(jī)無(wú)法比擬的。它的程序運(yùn)行方式為并行執(zhí)行，頻率能達(dá)到幾百兆赫茲，時(shí)間精度能精確到1 μs。所以，其抗干擾性強(qiáng)、精度高、運(yùn)行速度快［4-5］。另外，其引腳接口多，足夠滿足我們的需求。但是，它存在程序掉電丟失的缺陷，并且控制能力較差，給測(cè)試過(guò)程帶來(lái)諸多不便。雖然可以采用外部ROM進(jìn)行程序信息保存，但針對(duì)我們的應(yīng)用，信息存儲(chǔ)量比較大，并且還要根據(jù)不同液晶對(duì)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，而采用外部ROM是無(wú)法全部實(shí)現(xiàn)的。所以，單獨(dú)使用PFGA不是最佳選擇。

通過(guò)比較總結(jié)，并且綜合設(shè)計(jì)要求，此設(shè)計(jì)最終采用FPGA 與STM32相結(jié)合的方案。利用FPGA高速，準(zhǔn)確，抗干擾性強(qiáng)，和STM32自帶存儲(chǔ)功能與FSMC雙向通信功能的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同液晶檢測(cè)信息的簡(jiǎn)單修改、存儲(chǔ)與發(fā)送，最終滿足設(shè)計(jì)要求。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA是作為一塊高速、高精度、高穩(wěn)定性的信號(hào)產(chǎn)生器件，所采用的是ALTERA系列芯片EP2C5T1-44C8N。其總共有144個(gè)針腳，輸入/輸出數(shù)89個(gè)（89個(gè)I/O口），時(shí)鐘管理為PLL電平，核心供電電壓為1.15 V到1.25 V，最高工作頻率為320 MHz。所以，其運(yùn)行速度非?？欤牡?，輸入輸出口也能滿足我們的應(yīng)用與擴(kuò)展。STM32則是采用意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103VCT6，其為32位處理器，供電電壓為2～3.6 V，速度可達(dá)72 MHz。并且，STM32自帶存儲(chǔ)功能與FSMC通信功能，其存儲(chǔ)容量為256 kB，所以采用STM32作為控制存儲(chǔ)芯片是最佳選擇。其中FPGA與STM32通信流程圖如圖1所示。

圖1　FPGA與STM32通信流程圖Fig.1　FPGA with STM32 flow chart of communication

本設(shè)計(jì)使用FPAG作為測(cè)試信號(hào)輸出芯片，包括紅、綠、藍(lán)等測(cè)試信號(hào)。測(cè)序信號(hào)的設(shè)置參數(shù)保存在STM32中。其中，F(xiàn)PGA與STM32通過(guò)FSMC方式進(jìn)行雙向通信，F(xiàn)PGA的任意I/O口都可作為通信接口，本設(shè)計(jì)采用16位數(shù)據(jù)傳送，同步時(shí)鐘觸發(fā)模式。其中，STM32的系統(tǒng)時(shí)鐘，以及它們之間的通信時(shí)鐘都由FPGA進(jìn)行時(shí)鐘分頻提供。STM32通過(guò)FSMC通信方式將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA準(zhǔn)確接收到信息后反饋給STM32，信息接收完畢［6］，并且根據(jù)數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)。所以，我們只需在STM32保存的信息中，對(duì)不同款液晶的不同畫面進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置，非常方便我們的整個(gè)檢測(cè)流程，極大地提高了工作效率。整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)C與Verilog語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。FPGA與STM32的通信接口電路如圖2所示。

圖2　FPGA與STM32通信接口電路圖Fig.2　FPGA and STM32 communication interface circuit

測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制電路主要是通過(guò)按鍵對(duì)信息進(jìn)行區(qū)分與選擇，即畫面檢測(cè)信息的選擇與控制。本設(shè)計(jì)中，為了對(duì)不同畫面進(jìn)行有序檢測(cè)，設(shè)置了4個(gè)按鍵，分別為啟動(dòng)按鍵、上翻按鍵、下翻按鍵、自動(dòng)/手動(dòng)按鍵。啟動(dòng)按鍵是對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行初始化，完成準(zhǔn)備工作。上翻與下翻按鍵是通過(guò)控制STM32，將保存好的畫面信息進(jìn)行選擇性的傳送給FPGA。自動(dòng)/手動(dòng)按鍵是控制檢測(cè)信息按照邏輯順序是否自動(dòng)進(jìn)行發(fā)送。除此之外，整個(gè)過(guò)程都能實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，方便觀察與選擇。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制電路如圖3所示。

圖3　狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制電路Fig.3　State transition control circuit

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于FPGA與STM32的電路設(shè)計(jì)方案能較好地應(yīng)用于液晶檢測(cè)，其穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度都非常高，并且STM32信息存儲(chǔ)量大，設(shè)定簡(jiǎn)單，使整個(gè)系統(tǒng)能適用于多款液晶，方便我們的檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。其檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4　檢測(cè)結(jié)果圖Fig.4　Test results

4　結(jié)　論

隨著科技的快速發(fā)展，人們對(duì)自身視覺(jué)效果的要求也隨之不斷地在提高，而作為與人進(jìn)行面對(duì)面交互的液晶顯示屏，自然成為人們重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本設(shè)計(jì)能夠精準(zhǔn)的檢測(cè)出液晶顯示屏存在的缺陷，并且可以應(yīng)用于不同款式的液晶。本文提出一種基于FPGA與STM32相結(jié)合的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。充分利用FPGA的高速、高精度，以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，讓其作為測(cè)試波形信號(hào)產(chǎn)生器件。另外，結(jié)合STM32自帶存儲(chǔ)功能與FSMC雙向通信功能的特點(diǎn)，讓其作為信息設(shè)定、存儲(chǔ)與發(fā)送芯片。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，能使編程簡(jiǎn)單化、測(cè)試波形標(biāo)準(zhǔn)化，提高了工作效率。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方案能夠準(zhǔn)確、方便的應(yīng)用于液晶檢測(cè)，達(dá)到預(yù)期效果，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］董軍，柴寶玉，田學(xué)彬.液晶顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（3）:102-104.

［2］胡助理，安文源，李玲，等.基于單片機(jī)技術(shù)的光電檢測(cè)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（13）:39-41.

［3］陳雅磁.基于FPGA與單片機(jī)的高精度電子經(jīng)緯儀光電信號(hào)處理系統(tǒng)研制［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004.

［4］胡瑞永.基于FPGA與單片機(jī)聯(lián)合的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)［J］.硅谷，2008（15）:19-20.

［5］劉剛，宗靖國(guó)，韓建棟.FPGA與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2004（9）:32.

［6］郝雯，沈金鑫，梅成.基于STM32單片機(jī)的存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013（17）:80-82.

Design of LCD detection circuit based on FPGA and STM32

XU Hu
（Ship Engineering Department，Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou 510725，China）

For the accuracy of detection of liquid crystal in different styles，taking the advantage of quickness，high precision and strong anti-interference ability from FPGA，and build-in memory function of STM32，as well as the characteristic of bidirectional communication in FSMC，we designed a liquid crystal detection circuit based on FPGA and STM32.Through the practical application，the results show that the circuit for detection based on FPGA and STM32 can accurately，conveniently realize detection function and achieve the desired results，having a high market value.

LCD；FPGA；STM32；FSMC communication

TN321+.5

A

1674－6236（2016）05-0087-02

2015-03-31稿件編號(hào)：201503477

2013廣東省教育廳科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2013KJCX0195）

徐 虎（1989—），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師。研究方向：檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控、自動(dòng)控制。