第三十六章 RGB LCD触摸屏实验

本章在讲什么

前一章我们用 I2C 读 EEPROM、读 RTC，本章让 I2C 迎来第三位"对话者"——电容触摸屏控制器。手指按在屏幕上，触摸芯片把触摸点坐标写进自己的寄存器，FPGA 通过 I2C 把坐标读出来，再显示到 LCD 屏幕上。这是整本实战篇的收官实验，也是第一次让"输入"（触摸）和"输出"（显示）在同一系统里联动。

本章有四个看点：

• 一个驱动应付两家芯片：开发板配套的触摸屏可能用 GT911（汇顶 GT 系列）也可能用 FT5206（敦泰 FT 系列），两者 I2C 地址、寄存器位宽、坐标格式全都不一样，代码要能"自动识别、按需解析"；
• i2c_dri 驱动的最终形态：在前几章版本基础上升级出连续读写能力，从此这个模块可以通吃几乎所有 I2C 器件；
• 又一颗状态机驱动的芯片：touch_dri 七状态状态机，上电配置→检测触摸→读坐标→清除标志，循环往复；
• 二进制转 BCD：坐标是二进制数，显示要用十进制每一位，这一章把这个转换模块补齐。

核心概念拆解

36.1 电容触摸屏与两系触摸控制器

电容触摸屏的四角有电极，手指靠近时会改变触点处的电容，触摸控制器（就焊在屏幕排线上）扫描出触点坐标后存进自己的寄存器，同时拉低 INT 引脚通知主机"有新数据了"。FPGA 要做的就是：看到 INT 有效→通过 I2C 读坐标寄存器→读完后清掉芯片的状态标志。

两系控制器的差异一览：

对比项	GT 系列（GT911）	FT 系列（FT5206）
I2C 器件地址	7'h14（INT 高电平期间复位）或 0x5D	7'h38
寄存器地址位宽	16 位	8 位
触摸状态寄存器	0x814E（bit7 是 buffer 状态，读后必须写 0 清除）	0x02
坐标寄存器	0x8150~0x8153：X 低 8 位、X 高 8 位、Y 低 8 位、Y 高 8 位	0x03~0x06：X 高 4 位、X 低 8 位、Y 高 4 位、Y 低 8 位
坐标方向定义	横屏方向	竖屏方向

最后一个差异最隐蔽：两颗芯片对 X/Y 轴的定义方向不同，所以 FT 的坐标数据不光要按高低位拼起来，还要交换 X 和 Y才能与屏幕位置对应。

36.2 系统架构：触摸通道 + 显示通道

top_lcd_touch
 ├── touch_top                 （触摸通道）
 │    ├── touch_dri            （七状态状态机：识别芯片/配置/读坐标）
 │    └── i2c_dri              （通用 I2C 驱动，最终形态）
 ├── lcd_rgb_char              （显示通道）
 │    ├── rd_id / clk_div / lcd_driver
 │    ├── binary2bcd ×2        （X、Y 坐标各自转 BCD）
 │    └── lcd_display          （屏幕上显示坐标数值）
 └── （ILA 在线调试核，抓取 touch_valid 与坐标）

触摸通道输出 32 位的 data（高 16 位 X 坐标、低 16 位 Y 坐标），显示通道把它转成十进制画到屏幕上。屏上同时显示一个提示字符，触摸时坐标数字实时变化。

36.3 i2c_dri 升级：从"专用"到"通用"

本章的 i2c_dri 是第三十三章版本的升级，改动有三处：

1. 器件地址和字地址位宽改成端口。slave_addr[6:0] 和 bit_ctrl（0 表示 8 位寄存器地址、1 表示 16 位）不再写死为参数，而由上层业务模块实时给出——同一个驱动，接 EEPROM 时给 7'h50/1，接 RTC 时给 7'h51/0，接触摸时按芯片给 7'h14 或 7'h38；
2. 新增 reg_num 端口：一次操作连续读/写几个寄存器。读数据状态里以 reg_cnt == reg_num-1 判断是否到了最后一字节，是则回非应答并停止，否则继续应答接收；
3. 新增 once_byte_done：每收/发完一字节拉高一拍，让上层不必等整个连续操作结束就能逐字节取数。

读时序的"虚写+重复起始"骨架与第三十三章完全一致。这次升级之后，i2c_dri 基本成为通用 I2C 主机控制器，后面遇到任何 I2C 器件都能直接复用——这是前几章反复打磨这个模块的回报。

36.4 touch_dri：七状态状态机与双向 INT 引脚

touch_dri 的状态流转：

st_idle → st_init → st_get_id → st_cfg_reg → st_check_touch
                                                ↓ (touch_valid=1)
        st_coord_handle ← st_get_coord ←────────┘
              └────── 回到 st_check_touch 循环

上电时序（st_init，决定 GT911 的 I2C 地址）：GT 系列的器件地址由复位期间 INT 引脚的电平决定——INT 为高是 0x14（本实验采用），为低是 0x5D。流程为：先拉低复位引脚 10ms，随后拉高复位；在 INT 上输出高电平并保持约 50ms；最后把 INT 切换为浮空输入，交给芯片接管。INT 是双向引脚，与 SDA 一样用三态门控制：

assign touch_int = touch_int_dir ? touch_int_out : 1'bz;

芯片识别（st_get_id）：先看 LCD ID——ID 为 16'h4384/4342/1018 的屏固定用 GT 系列；否则读 FT 系列的版本号寄存器（0xA1~0xA2），读到 0x3003/0001/0002/0000 之一判为 FT，I2C 无应答或版本号对不上就判为 GT。识别结果存入 ft_flag，后续所有分支都由它决定。

配置寄存器（st_cfg_reg）：FT 系列需写入工作模式寄存器（0x00，正常扫描模式）、有效触摸门限寄存器（0x80，写 22，值越小越灵敏）、激活周期寄存器（0x88，写 12）；GT 系列使用内部默认配置，这一步可跳过。每个寄存器写入后检查 i2c_ack，未应答就退回重写，直到全部配置成功。

检测触摸（st_check_touch）：先延时约 20ms，再读触摸状态寄存器并判断：

if(ft_flag) begin
    if(i2c_data_r[3:0] > 4'd0 && i2c_data_r[3:0] <= 4'd5)
        touch_valid <= 1'b1;               // FT：低4位为触摸点数(1~5)
end
else begin
    if(i2c_data_r[7] == 1'b1 && i2c_data_r[3:0] > 4'd0
       && i2c_data_r[3:0] <= 4'd5)
        touch_valid <= 1'b1;               // GT：还要 bit7=1 才是有效数据
end

无论有没有触摸，随后都要向状态寄存器写 0 清除标志（GT 的 bit7 不清除，芯片不会报告新数据），然后 st_done <= touch_valid：有触摸才去读坐标，没有则回到检测态继续轮询。

读坐标（st_get_coord）：从坐标寄存器首地址起连续读 4 个字节（正是 i2c_dri 新增的 reg_num 能力），按 X 低 8、X 高 8、Y 低 8、Y 高 8 的顺序拼出 16 位 X 和 16 位 Y。

坐标处理（st_coord_handle）：GT 系列直接使用；FT 系列要交换 X/Y 并且高低位调换：

if(ft_flag) begin
    tp_x_coord <= {4'd0, tp_y_coord_t[3:0], tp_y_coord_t[15:8]};
    tp_y_coord <= {4'd0, tp_x_coord_t[3:0], tp_x_coord_t[15:8]};
end
else begin
    tp_x_coord <= tp_x_coord_t;
    tp_y_coord <= tp_y_coord_t;
end

FT 坐标寄存器里 X 高 4 位在前，所以 tp_y_coord_t[3:0]（实为 X 的高 4 位）要放到结果的中间段，再把低 8 位跟在后面——一句拼接同时完成"去高4位补零 + 高低位重组 + X/Y 互换"。

36.5 触摸顶层与显示端：binary2bcd 登场

touch_top 只做两件事：例化 i2c_dri（CLK_FREQ=50_000_000，I2C_FREQ=250_000，SCL 不超过 400KHz）和 touch_dri，把两者信号对接，对外输出 32 位坐标。

lcd_rgb_char 在"字符显示"实验代码基础上，插入两个 binary2bcd 模块，分别把 data[31:16]（X）和 data[15:0]（Y）转成 BCD 码，再交给 lcd_display 按字模方式在屏幕上画出 "X:"、"Y:" 和十进制数字。二进制转 BCD 的思路是不断"除 10 取余"，得到个位、十位、百位……每个 nibble 一个十进制位，之后就能像 RTC 章那样直接拿 nibble 索引字模。

36.6 在线调试验证

工程中嵌入了 ILA 调试核，抓取 touch_valid 与坐标 data。先让屏幕显示一组已知坐标（如 0109X145Y，即十六进制 6D、91），把 ILA 触发条件设为 touch_valid 上升沿，运行后用手指点击同一位置，ILA 抓到 data = (006d, 0091)，与屏幕显示完全一致——触摸读数链路验证通过。

图片对照

图：电容式触摸屏原理——手指改变触点处电容，触摸控制器扫描出坐标

图：触摸控制器寄存器说明——GT 系列状态寄存器 0x814E 与坐标寄存器 0x8150 起的排布

图：触摸驱动状态机跳转图——从上电初始化到坐标处理的主循环

图：屏幕显示的参考坐标 0109X145Y（十六进制 6DX、91Y），作为调试对照基准

图：ILA 以 touch_valid 上升沿触发，抓到 data=(006d, 0091)，与屏幕坐标一致

图：实验最终现象——手指在屏幕上滑动，LCD 实时刷新触摸点坐标

初学者容易踩的坑

1. GT911 上电时序不对，I2C 直接无应答：复位拉低时长不足、INT 没在正确窗口保持高电平，芯片地址就不是 0x14。严格照"10ms 复位 → INT 拉高 50ms → INT 转浮空输入"的顺序来，且 INT 必须用三态门控制，不能一直是推挽输出。
2. GT 的状态标志忘记写 0 清除：0x814E 的 bit7 是"数据就绪"标志，读走坐标后必须回写 0，否则芯片不再报告新触摸，现象是"只响应第一次触摸"。
3. FT 系列坐标没有交换 X/Y 或拼错高低位：FT 与 GT 的轴向定义相反、字节顺序相反，直接把 FT 原始数据当 GT 用，会出现"点左上角、光标跑右下角"或坐标乱跳。对照 36.4 的拼接代码逐位核对。
4. 寄存器地址位宽搞混：GT 用 16 位字地址（bit_ctrl=1），FT 用 8 位（bit_ctrl=0）。位宽给错时写操作会破坏芯片配置、读操作拿到错位数据。
5. 连续读少发了非应答：reg_num=4 时只有最后一字节回非应答，中间字节都要应答；如果驱动沿用单字节版本的"读完即非应答"，连续读会在第一字节就中断。
6. SCL 频率超限：触摸芯片 I2C 一般不超过 400KHz，本实验 250KHz。把 I2C_FREQ 参数改太大可能偶发通信失败。
7. 坐标是二进制，直接索引字模会花屏：显示端必须先过 binary2bcd 转成十进制逐位 BCD，再按 nibble 查字模——这也是 RTC 章"天生 BCD 直接显示"与本章"二进制需转换"的区别。

小结 & 下一步

作为实战篇的收官章，本章的收获有三层：

• 驱动复用的红利：i2c_dri 升级为通用版（器件地址/位宽端口化 + 连续读写）后，EEPROM、RTC、触摸控制器三套业务共用同一个底层驱动——分层设计让每新增一种 I2C 器件只需新写业务层状态机；
• 兼容性设计思维：一套代码识别并适配 GT/FT 两系芯片，靠"已知信息优先（LCD ID）、实测验证兜底（版本号 + ACK）"的识别策略，这在真实产品开发中极其常用；
• 输入输出联动：触摸采集（I2C 输入）与 LCD 显示（RGB 输出）首次组成闭环，加上二进制转 BCD 模块，你已经掌握了"传感器数据采集→处理→人性化显示"的完整链路。

至此，第五篇全部实验完成。回头看这段旅程：串口、HDMI、I2C 三兄弟（EEPROM/RTC/触摸）、频率计、触摸屏——从通信协议到显示驱动再到测量仪器，FPGA 的"实战武器库"已经初步成型。下一步：合上实验篇，建议用这些模块自由组合做一个小综合项目（比如"可触摸调参的频率计"），检验一下这些知识是否真正长在了自己手上。