一、LCD1602顯示原理
1、引腳功能
其内部功能框圖如下圖所示：
一般來說，LCD1602有16條引腳，各個廠家的LCD1602可能略有不同，但基本上一樣，其16個引腳功能如下：
| 引腳号 | 引腳名 | 電壓等級 | 功能 |
| 1 | VSS | 0V | 電源地 |
| 2 | VDD | +5V | 電源正極 |
| 3 | V0 | 0V | 電壓偏置 |
| 4 | RS | H/L | 指令/資料 |
| 5 | R/W | H/L | 讀/寫 |
| 6 | E | H/L | 使能 |
| 7~14 | DB0~DB7 | H/L | 資料端口 |
| 15 | LEDA | +5V | 背光正極 |
| 16 | LEDK | 0V | 背光負極 |
對這個表的說明：
1. VSS接電源地。
2. VDD接+5V。
3. VO是液晶顯示的偏壓信号，可接10K的3296精密電位器。或同樣阻值的RM065/RM063藍白可調電阻。見下圖。
4. RS是指令/資料選擇引腳，接單片機的一個I/O，當RS為低電平時，選擇指令；當RS為高電平時，選擇資料。
5. RW是讀/寫選擇引腳，接單片機的一個I/O，當RW為低電平時，向LCD1602寫入指令或資料；當RW為高電平時，從LCD1602讀取狀态或資料。如果不需要進行讀取操作，可以直接将其接VSS。
6. E，執行指令的使能引腳，接單片機的一個I/O。
7. D0—D7，并行資料輸入/輸出引腳，可接單片機的P0—P3任意的8個I/O口。如果接P0口，P0口應該接4.7K—10K的上拉電阻。如果是4線并行驅動，隻須接4個I/O口。
8. A背光正極，可接一個10—47歐的限流電阻到VDD。
9. K背光負極，接VSS。見下圖所示。
2、基本操作
LCD1602的基本操作分為四種：
1. 讀狀态：輸入RS=0，RW=1，E=高脈沖。輸出：D0—D7為狀态字。
2. 讀資料：輸入RS=1，RW=1，E=高脈沖。輸出：D0—D7為資料。
3. 寫指令：輸入RS=0，RW=0，E=高脈沖。輸出：無。
4. 寫資料：輸入RS=1，RW=0，E=高脈沖。輸出：無。
讀操作時序圖和限制：
寫操作時序圖：
時序時間參數：
3、DDRAM、CGROM和CGRAM
DDRAM(Display Data RAM)就是顯示資料RAM，用來寄存待顯示的字元代碼。共80個位元組，其位址和螢幕的對應關系如下：
DDRAM相當于計算機的顯存，我們為了在螢幕上顯示字元，就把字元代碼送入顯存，這樣該字元就可以顯示在螢幕上了。同樣LCD1602共有80個位元組的顯存，即DDRAM。但LCD1602的顯示螢幕隻有16×2大小，是以，并不是所有寫入DDRAM的字元代碼都能在螢幕上顯示出來，隻有寫在上圖所示範圍内的字元才可以顯示出來，寫在範圍外的字元不能顯示出來。這樣，我們在程式中可以利用下面的“光标或顯示移動指令”使字元慢慢移動到可見的顯示範圍内，看到字元的移動效果。
前面說了，為了在液晶螢幕上顯示字元，就把字元代碼送入DDRAM。例如，如果想在螢幕左上角顯示字元‘A’，那麼就把字元‘A’的字元代碼41H寫入DDRAM的00H位址處即可。至于怎麼寫入，後面會有說明。那麼為什麼把字元代碼寫入DDRAM，就可以在相應位置顯示這個代碼的字元呢？我們知道，LCD1602是一種字元點陣顯示器，為了顯示一種字元的字形，必須要有這個字元的字模資料，什麼叫字元的字模資料，看看下面的這個圖就明白了。
上圖的左邊就是字元‘A’的字模資料，右邊就是将左邊資料用“○”代表0，用“■”代表1。進而顯示出‘A’這個字形。從下面的圖可以看出，字元‘A’的高4位是0100，低4位是0001，合在一起就是01000001b，即41H。它恰好與該字元的ASCII碼一緻，這樣就給了我們很大的友善，我們可以在PC上使用P2=‘A’這樣的文法。編譯後，正好是這個字元的字元代碼。
在LCD1602子產品上固化了字模存儲器，就是CGROM和CGRAM，HD44780内置了192個常用字元的字模，存于字元産生器CGROM(Character Generator ROM)中，另外還有8個允許使用者自定義的字元産生RAM，稱為CGRAM(Character Generator RAM)。下圖(如圖12)說明了CGROM和CGRAM與字元的對應關系。從ROM和RAM的名字我們也可以知道，ROM是早已固化在LCD1602子產品中的，隻能讀取；而RAM是可讀寫的。也就是說，如果隻需要在螢幕上顯示已存在于CGROM中的字元，那麼隻須在DDRAM中寫入它的字元代碼就可以了；但如果要顯示CGROM中沒有的字元，比如攝氏溫标的符号，那麼就隻有先在CGRAM中定義，然後再在DDRAM中寫入這個自定義字元的字元代碼即可。和CGROM中固化的字元不同，CGRAM中本身沒有字元，是以要在DDRAM中寫入某個CGROM不存在的字元，必須在CGRAM中先定義後使用。程式退出後CGRAM中定義的字元也不複存在，下次使用時，必須重新定義。
上面這個圖說明的是5×8點陣和5×10點陣字元的字形和光标的位置。先來說5×8點陣，它有8行5列。那麼定義這樣一個字元需要8個位元組，每個位元組的前3個位沒有被使用。例如，定義攝氏溫标的符号{0x10,0x06,0x09,0x08,0x08,0x09,0x06,0x00}。
上面這個圖說明的是設定CGRAM位址指令。從這個指令的格式中我們可以看出，它共有aaaaaa這6位，一共可以表示64個位址，即64個位元組。一個5×8點陣字元共占用8個位元組，那麼這64個位元組一共可以自定義8個字元。也就是說，上面這個圖的6位位址中的DB5DB4DB3用來表示8個自定義的字元，DB2DB1DB0用來表示每個字元的8個位元組。這DB5DB4DB3所表示的8個自定義字元(0--7)就是要寫入DDRAM中的字元代碼。我們知道，在CGRAM中隻能定義8個自定義字元，也就是隻有0—7這8個字元代碼，但在下面的這個表中一共有16個字元代碼(××××0000b--××××1111b)。實際上，如圖所示，它隻能表示8個自定義字元 (××××0000b=××××1000b, ××××0001b=××××1001b……依次類推)。也就是說，寫入DDRAM中的字元代碼0和字元代碼8是同一個自定義字元。 5×10點陣每個字元共占用16個位元組的空間，是以CGRAM中隻能定義4個這樣的自定義字元。
那麼如何在CGRAM中自定義字元呢？在上面的介紹中，我們知道有一個設定CGRAM位址指令，同寫DDRAM指令相似，隻須設定好某個自定義字元的字模資料，然後按照上面介紹的方法，設定好CGRAM位址，依次寫入這個字模資料即可。我們在後面的例子中再進行說明。
4、LCD1602指令
（1）．工作方式設定指令
×：不關心，也就是說這個位是0或1都可以，一般取0。
DL：設定資料接口位數。
DL=1：8位資料接口(D7—D0)。
DL=0：4位資料接口(D7—D4)。
N=0：一行顯示。
N=1：兩行顯示。
F=0：5×8點陣字元。
F=1：5×10點陣字元。
說明：因為是寫指令字，是以RS和RW都是0。LCD1602隻能用并行方式驅動，不能用串行方式驅動。而并行方式又可以選擇8位資料接口或4位資料接口。這裡我們選擇8位資料接口(D7—D0)。我們的設定是8位資料接口，兩行顯示，5×8點陣，即0b00111000也就是0x38。(注意：NF是10或11的效果是一樣的，都是兩行5×8點陣。因為它不能以兩行5×10點陣方式進行顯示，換句話說，這裡用0x38或0x3c是一樣的)。
（2）．顯示開關控制指令
D=1：顯示開，D=0：顯示關。
C=1：光标顯示，C=0：光标不顯示。
B=1：光标閃爍，B=0：光标不閃爍。
說明：這裡的設定是顯示開，不顯示光标，光标不閃爍，設定字為0x0c。
（3）．進入模式設定指令
I/D=1：寫入新資料後光标右移。
I/D=0：寫入新資料後光标左移。
S=1：顯示移動。
S=0：顯示不移動。
說明：這裡的設定是0x06。
（4）．光标或顯示移動指令
說明：在需要進行整屏移動時，這個指令非常有用，可以實作螢幕的滾動顯示效果。初始化時不使用這個指令。
（5）．清屏指令
說明：清除螢幕顯示内容。光标傳回螢幕左上角。執行這個指令時需要一定時間。
（6）．光标歸位指令
說明：光标傳回螢幕左上角，它不改變螢幕顯示内容。
（7）．設定CGRAM位址指令
說明：這個指令在上面已經介紹過。用法在後面例子中說明。
（8）．設定DDRAM位址指令
說明：這個指令用于設定DDRAM位址。在對DDRAM進行讀寫之前，首先要設定DDRAM位址，然後才能進行讀寫。前面我們說過，DDRAM就是LCD1602的顯示存儲器。我們要在它上面進行顯示，就要把要顯示的字元寫入DDRAM。同樣，我們想知道DDRAM某個位址上有什麼字元，也要先設定DDRAM位址，然後将它讀出到單片機。
（9）．讀忙信号和位址計數器AC
說明：這個指令用來讀取LCD1602狀态。對于單片機來說，LCD1602屬于慢速裝置。當單片機向其發送一個指令後，它将去執行這個指令。這時如果單片機再次發送下一條指令，由于LCD1602速度較慢，前一條指令還未執行完畢，它将不接受這新的指令，導緻新的指令丢失。是以這條讀忙指令可以用來判斷LCD1602是否忙，能否接收單片機發來的指令。當BF=1，表示LCD1602正忙，不能接受單片機的指令；當BF=0，表示LCD1602空閑，可以接收單片機的指令。RS=0，表示是指令；RW=1，表示是讀取。這條指令還有一個副産品：即可以得到位址記數器AC的值(address counter)。LCD1602維護了一個位址計數器AC，用來記錄下一次讀寫CGRAM或DDRAM的位置。需要強調的是：這條指令我一次也沒有執行成功。很多網友似乎也是這樣。好在我們有另外的辦法，也就是延時。通過檢視每條指令的執行時間，再經過一些試驗，可以确定指令的延時。這樣就可以在上一條指令執行完畢後再執行下一條指令了。
（10）．寫資料到CGRAM或DDRAM指令
說明：RS=1，資料；RW=0，寫。指令執行時，要在DB7—DB0上先設定好要寫入的資料，然後執行寫指令。
（11）．從CGRAM或DDRAM讀資料指令
說明：RS=1，資料；RW=1，讀。先設定好CGRAM或DDRAM的位址，然後執行讀取指令。資料就被讀入後DB7—DB0。
5、LCD1602一般初始換步驟（在FPGA裡邊必須初始化）
- 延時15mS
- 寫指令38H（不檢測忙信号）
- 延時15mS
- 寫指令38H（不檢測忙信号）
- 延時15mS
- 寫指令38H（不檢測忙信号）
- 以後每次寫指令、讀/寫資料操作均需要檢測忙信号
- 寫指令38H：顯示模式設定
- 寫指令08H：顯示關閉
- 寫指令01H：顯示清屏
- 寫指令06H：顯示光标移動設定
- 寫指令0CH：顯示開及光标設定
11和12 兩個順序不能互換，我在寫的時候調換了怎麼也調試不出來，左後将兩個順序互換過來就正常了。
二、FPGA實作
實作功能：在LCD顯示屏上顯示兩行，第一行顯示：Pan-Hong-Feng；第二行顯示：LCD1602-Test
代碼如下：（代碼有點亂，懶得注釋了）
// Company :
// Engineer :
// -----------------------------------------------------------------------------
// https://blog.csdn.net/qq_33231534 PHF's CSDN blog
// -----------------------------------------------------------------------------
// Create Date : 2020-09-07 15:48:40
// Revise Data : 2020-09-08 09:53:32
// File Name : lcd.v
// Target Devices : XC7Z015-CLG485-2
// Tool Versions : Vivado 2019.2
// Revision : V1.1
// Editor : sublime text3, tab size (4)
// Description : LCD1602 driver
module lcd(
input clk ,
input rst_n ,
output reg lcd_rs ,
output wire lcd_rw ,
output reg lcd_en ,
output reg [7:0] lcd_data
);
reg [17:0] cnt ;
reg [3:0] state_c ;
reg [3:0] state_n ;
reg [4:0] char_cnt ;
reg [7:0] data_display ;
localparam
IDLE = 4'd0 ,
INIT = 4'd1 ,
S0 = 4'd2 ,
S1 = 4'd3 ,
S2 = 4'd4 ,
S3 = 4'd5 ,
ROW1_ADDR = 4'd6 ,
WRITE = 4'd7 ,
ROW2_ADDR = 4'd8 ,
stop = 4'd9 ;
assign lcd_rw = 1'b0;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
cnt <= 17'd0;
end
else begin
if (cnt==17'd100_000 - 1) begin
cnt <= 17'd0;
end
else begin
cnt <= cnt + 1'b1;
end
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
lcd_en <= 0;
end
else if (cnt==17'd50_000 - 1) begin
lcd_en <= 1;
end
else if (cnt==17'd100_000 - 1) begin
lcd_en <= 0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
char_cnt <= 0;
end
else if (state_c==WRITE && cnt==17'd50_000 - 1) begin
if (char_cnt==5'd24) begin
char_cnt <= 5'd0;
end
else begin
char_cnt <= char_cnt + 1'b1;
end
end
end
always @(*) begin
case(char_cnt)
5'd0: data_display = "P";
5'd1: data_display = "a";
5'd2: data_display = "n";
5'd3: data_display = "-";
5'd4: data_display = "H";
5'd5: data_display = "o";
5'd6: data_display = "n";
5'd7: data_display = "g";
5'd8: data_display = "-";
5'd9: data_display = "F";
5'd10: data_display = "e";
5'd11: data_display = "n";
5'd12: data_display = "g";
5'd13: data_display = "L";
5'd14: data_display = "C";
5'd15: data_display = "D";
5'd16: data_display = "1";
5'd17: data_display = "6";
5'd18: data_display = "0";
5'd19: data_display = "2";
5'd20: data_display = "-";
5'd21: data_display = "T";
5'd22: data_display = "e";
5'd23: data_display = "s";
5'd24: data_display = "t";
default:data_display = "P";
endcase
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
state_c <= IDLE;
end
else if(cnt==17'd50_000 - 1) begin
state_c <= state_n;
end
end
reg [19:0] cnt_15ms;
reg flag ;
[email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin
if (!rst_n) begin
cnt_15ms <= 0;
end
else if (state_c == IDLE) begin
cnt_15ms <= cnt_15ms + 1'b1;
end
end
[email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin
if (!rst_n) begin
flag <= 0;
end
else if (state_c==IDLE && cnt_15ms==20'd750000) begin
flag <= 1;
end
end
always @(*) begin
case(state_c)
IDLE :
begin
if (flag) begin
state_n = INIT;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
INIT :
begin
state_n = S0;
end
S0 :
begin
state_n = S1;
end
S1 :
begin
state_n = S2;
end
S2 :
begin
state_n = S3;
end
S3 :
begin
state_n = ROW1_ADDR;
end
ROW1_ADDR:
begin
state_n = WRITE;
end
WRITE :
begin
if (char_cnt==5'd12) begin
state_n = ROW2_ADDR;
end
else if (char_cnt==5'd24) begin
state_n = stop;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
ROW2_ADDR:
begin
state_n = WRITE;
end
stop :
begin
state_n = stop;
end
default:state_n = IDLE;
endcase
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
lcd_data <= 8'd0;
end
else begin
case(state_c)
IDLE :begin lcd_data <= 8'h38; lcd_rs <= 0;end
INIT :begin lcd_data <= 8'h38; lcd_rs <= 0;end
S0 :begin lcd_data <= 8'h08; lcd_rs <= 0;end
S1 :begin lcd_data <= 8'h01; lcd_rs <= 0;end
S2 :begin lcd_data <= 8'h06; lcd_rs <= 0;end
S3 :begin lcd_data <= 8'h0c; lcd_rs <= 0;end
ROW1_ADDR :begin lcd_data <= 8'h80; lcd_rs <= 0;end
WRITE :begin lcd_data <= data_display; lcd_rs <= 1;end
ROW2_ADDR :begin lcd_data <= 8'hc0; lcd_rs <= 0;end
stop :begin lcd_data <= 8'h38; lcd_rs <= 0;end
default:;
endcase
end
end
endmodule
測試代碼：
`timescale 1ns/1ns
module lcd_tb (); /* this is automatically generated */
reg rst_n;
reg clk;
wire lcd_rs;
wire lcd_rw;
wire lcd_en;
wire [7:0] lcd_data;
lcd inst_lcd
(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.lcd_rs (lcd_rs),
.lcd_rw (lcd_rw),
.lcd_en (lcd_en),
.lcd_data (lcd_data)
);
initial clk = 0;
always #10 clk = ~clk;
initial begin
#1;
rst_n = 0;
#200;
rst_n = 1;
#200;
#100000000;
$stop;
end
endmodule
仿真波形圖：
實物圖：