基于ARM的觸摸屏TFT液晶顯示電路設計

程靜濤

(山西輕工職業(yè)技術學院，山西 太原 030001)

液晶屏(Liquid Crystal Display，LCD)按顯示原理分為STN和TFT兩種，由于TFT(薄膜晶體管，Thin Film Transistor)彩色液晶屏顏色逼真透亮廣泛用于制作成計算機、手機中的液晶顯示。帶有觸摸屏的TFT在嵌入式系統(tǒng)設計中越來越成為設計的主流。

文章采用三星公司推出的16/32位RISC微處理器S3C2440A，完成與WXCAT43－TG3#001的接口和程序設計。

1 S3C2440 LCD控制器

圖1為S3C2440處理器的LCD控制器［1］主要部分框圖。

圖1 S3C2440處理器的LCD控制器主要部分框圖

如圖1所示，LCDCDMA負責自動將幀緩沖區(qū)中的顯示數(shù)據發(fā)往LCD驅動器。通過DMA傳輸顯示數(shù)據可以不需要CPU的干涉自動地發(fā)送到屏幕上。REGBANK的主要功能是將其中的17個可編程的寄存器組和256×16調色板內存用于配置LCD控制器。VIDPRCS將LCDCDMA發(fā)送過來的數(shù)據變換為合適的格式(單掃描或雙掃描顯示模式)之后通過VD［23:0］發(fā)送到LCD驅動器。TMIEGEN的可編程邏輯用于支持不同類型的LCD驅動器對時序以及速率的需求。S3C2440 LCD控制器輸出接口說明如表1所示。

2 時鐘源的選擇

不管是利用開發(fā)板設計還是自行設計，都必須首先知道開發(fā)板或設計板的時鐘頻率的設置:在S3C2440的Normal模式下操作中，用戶可以通過寫P，M，S改變3個分頻器(FCLK，HCLK，PCLK)的頻率值。Mpll=(2×m ×Fin)/(p×2s)，m=M(分頻器M的值)+8，p=P(分頻器P的值)+2。

當 M=184，P=10，S=0 時 Mpll=384 MHz。當 Mpll=FCLK時，F(xiàn)CLK用于ARM920T主頻。HCLK用于AHB總線，例如用于ARM920T內存控制，中斷控制，LCD控制，DMA以及USB主模塊。PCLK用于APB總線，用于外圍設備如看門狗、IIS、I2C、PWM、MMC 接口、ADC、UART、GPIO、RTC以及SPI等。

表1 S3C2440 LCD控制器輸出接口說明

S3C2440支持FCLK，HCLK，PCLK分頻比的選擇。比例由CLKDIVN控制寄存器中的HDIVN，PDIVN位確定。在設置P，M，S這3個值后，需要設置CLKDIVN寄存器的值。CLKDIVN的值設置在PLL鎖定期后有效。這個值也對復位和改變電源管理模式也是可用的。

該設計HDIVN設置為3，PDIVN設置為1，HCLK3_HALF設置為0，HCLK4_HALF設置為0則分頻比FCLK∶HCLK∶PCLK 為(1∶3∶6)，則 FCLK=384 MHz，HCLK=128 MHz，PCLK=64 MHz。

3 WXCAT43－TG3#001液晶顯示模塊介紹

WXCAT43－TG3#001［2］是一種 transmissive 型 a－SiTFTLCD(非晶硅薄膜晶體管液晶顯示模塊)，主要由1個TFTLCD面板，1個驅動電路，背光燈部件和1個4－wires模擬電阻式觸摸屏組成。面板尺寸是4.3 in，分辨力是480×272(顯示16∶9)。24位RGB界面，高對比度、高亮度、低功耗、4－wires模擬電阻式觸摸屏?？梢燥@示16.7 M種顏色和特別適合便攜式設備顯示器應用。可用于GPS(全球定位系統(tǒng))、DVB(數(shù)字視頻廣播)、DSC(數(shù)碼相機)、PMP(便攜式多媒體播放器)及其他設備需要高質量的顯示器。

1)WXCAT43－TG3#001 電特性［2］

TFT－LCD模塊:電源3.3 V，模擬電壓5 V，時鐘頻率9 MHz;

背景燈單元:正向電壓25.6 V，電流20 mA，功耗512 mW。

2)TFT－LCD模塊框圖

TFT－LCD模塊如圖2所示，觸摸屏面板如圖3所示。

3)接口規(guī)范如表2所示。

表2 WXCAT43－TG3#001外圍管腳說明

4)定時要求如表3所示。

表3 WXCAT43－TG3#001定時參數(shù)

5)存儲數(shù)據格式(TFT)

在S3C2440A里TFT液晶控制器的支持1 bpp(位/像素)，2 bpp，4 bpp，8 bpp 的 palettized 彩色顯示器和16 bpp或24 bpp的non－palettized真彩顯示(true－color)。表4為存儲數(shù)據格式(TFT)顯示模式24 bpp顯示。

表4 顯示儲數(shù)據格式(TFT)24 bpp顯示模式

6)使用256調色板(TFT)

S3C2440A的TFT液晶控制，提供256個顏色的調色板。用戶可以從下面2種格式中在64 k的顏色中選擇256種顏色。256顏色調色板包括256(深度)×16位SPSRAM。支持5∶6∶5 調色板(R，G，B)的格式和 5∶5∶5∶1(R，G，B∶i)的格式。當用戶使用 5∶5∶5∶1 格式，強度數(shù)據(i)作為每個RGB數(shù)據的一種常見LSB位。所以，5∶5∶5∶i格式等同于 R(5+i)∶G(5+i)∶B(5+i)的格式。

例如，在5∶5∶5∶i格式中，用戶可以寫入調色板，然后連接VD引腳到TFT液晶面板，R(5+i)=VD［23:19］+VD［18］，VD［10］或 VD［2］，G(5+i)=VD［15:11］+VD［18］，VD［10］或 VD［2］，B(5+i)=VD［7:3］+VD［18］，VD［10］或VD［2］。并且設置LCDCON5寄存器的FRM565為0。

0x4D000400是調色板的開始地址。VD10，VD2，VD18有相同的輸出值i。［31:16］數(shù)據是無效的。當用戶對調色板執(zhí)行讀/寫操作時，必須檢查LCDCON5寄存器的HSTATUS和VSTATUS，因為VSTATUS和HSTATUS工作狀態(tài)期間，讀/寫操作是禁止的。

4 WXCAT43－TG3#001的總體設計

特別注意:在S3C2440中，大多數(shù)的管腳都復用，所以必須對每個管腳進行配置。端口控制寄存器(GPnCON)定義了每個管腳的功能。

下文將著重介紹TFT LCD的設計步驟。

WXCAT43－TG3#001 TFT連接如圖4所示。

圖4 WXCAT43－TG3#001 TFT連接圖

1)LCD背光燈控制

WXCAT43－TG3#001背光燈需要25.6 V的直流電源，該設計采用DC－DC直流升壓芯片見圖4。利用S3C2440的GPF4腳可以控制背景燈的開啟和關閉，當GPF4腳為高電平時，Q2、Q1導通，25 V電壓加到WXCAT43－TG3#001的2腳，使其點亮LED，如果GPF4腳輸出PWM波，則可以改變其背光亮度。特別在設備休眠狀態(tài)，及時關閉LED，可以達到節(jié)能目的。所以需將對應的GPIO設置為禁止上拉(GPFUP相應位4寫入1)，選擇output類型(GPFCON相應位［9:8］寫入01)，輸出為高電平開啟背景燈，低電平關閉背景燈(GPFDAT相應位4寫入1或0以控制背景燈的開啟和關閉)。

2)LCD電源控制

可以將GPG4選擇為LCD_PWREN(GPGCON［9:8］寫入10)，這時候LCD電源的打開/關閉可以通過LCDCON5［3］來控制。也可以自定義其他GPIO用作LCD電源開關，只需將此GPIO設置為禁止上拉(GPxUP相應位寫入1)，選擇output類型(GPxCON相應位寫入01)，輸出為高電平(GPxDAT相應位寫入1)打開LCD電源。該設計采用第一種控制方式。

3)信號線設置［4］

信號線包括 VD0～VD23。將LCD的R0～R7，G0～G7，B0～B7等24根管腳和S3C2440的VD0～VD23腳相連，設置GPCCON［0～31］寫入10(其中GPC8～GPC15對應VD0～VD7)，GPDCON［0～31］寫入10(其中 GPD0～GPD15對應VD8～VD23)構成LCD模式。

4)VFRAME(VSYNC)，VLINE(HSYNC)，VCLK 及VM(VDEN)的設置

如上所述分別在GPCCON中設置(10)使GPC4(VM)，GPC3(VFRAME)，GPC2(VLINE)，GPC1(VCLK)處于相應功能。

5)設置LCD的頻率(VCLK)

CLKVAL寄存器的值確定VCLK的頻率和幀速率。對于TFT LCD，S3C2440提供的VCLK的計算公式為

VCLK=HCLK/((CLKVAL+1)×2) (1)

幀速率=1/{［(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LIINEVAL+1)+(VFPD+1)］× ［(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1)］×［2×(CLKVAL+1)/(HCLK)］} (2)

LCD的數(shù)據手冊上一般會寫有一個推薦的頻率，該設計使用的屏幕推薦頻率為9 MHz，需要通過一些計算選擇一個合適的CLKVAL以產生這個頻率。可以得出

CLKVAL=HCLK/(VCLK×2)–1 (3)

由前述 FCLK∶HCLK∶PCLK=1∶3∶6，HCLK 是 128 MHz(CPU運行在384 MHz)，VCLK使用屏幕推薦的9 MHz，得到:CLKVAL=128 MHz/(9 MHz×2)－1=6.1111。選擇最接近的整數(shù)值6，寫入LCDCON1［17:8］。

6)各寄存器數(shù)據設置

通過語句:#define項目名(值)進行定義。

7)設置視頻緩沖區(qū)的地址

S3C2440支持虛擬屏幕，可以通過改變LCD寄存器實現(xiàn)屏幕快速移動。

幀緩沖區(qū)的開始地址1寄存器LCDSADDR1，地址0x4D000014，復位值0x00000000。幀緩沖區(qū)的開始地址2寄存器LCDSADDR2，地址0x4D000018，復位值0x00000000。

8)FRAME緩存開始地址寄存器3 LCDSADDR3，地址0x4D00001C，復位值0x00000000

#define OFFSIZE 0x200 //虛擬屏幕左側偏移的字節(jié)數(shù)(半字的數(shù)量)計算方法:虛擬屏幕上一行的半字－LCDpingshang一行的后半字

#define PAGEWIDTH 0x2C0//虛擬屏幕頁面寬度(半字數(shù))。這個值定義幀的可視端口的寬度。480×8/16=240

9)TCON控制寄存器TCONSEL、地址0x4D000060、復位值0xF84(取復位狀態(tài))

10)屏蔽LCD中斷，LCDINTMSK、地址0x4D00005C、復位值0x3(取復位狀態(tài))

11)禁止臨時調色板TPAL、地址0x4D000050、復位值0x00000000(取復位狀態(tài))

5 觸摸屏工作原理

5.1 S3C2440觸摸屏接口

S3C2440具有8通道模擬輸入，10位CMOS的ADC(模數(shù)轉換器)。最大的轉換率是在2.5 MHz轉換時鐘下達到500 ksample/s。觸摸屏接口XP，XM，YP，YM分別與XR，XL，YU，YD 連接如圖4。供電電壓3.3 V，輸入模擬電壓范圍:0～3.3 V。圖5為AD轉換器和觸摸屏接口的功能模塊圖。

當觸摸屏接口使用時，XM或PM應該接觸摸屏接口的地。當觸摸屏設備不使用時，XM或PM應該連接模擬輸入信號作為普通ADC轉換用。

觸摸屏接口模式可根據需要進行選擇，常用的有正常轉換模式、分離XY坐標轉換模式、自動(連續(xù))XY坐標轉換模式、等待中斷模式等。

圖5 S3C2440 AD轉換器和觸摸屏接口的功能模塊圖

5.2 ADC及觸摸屏接口特殊寄存器設置

/*ADC控制寄存器:ADCCON、地址0x58000000、復位值0x3FC4*/

#define PRSCEN 1//AD轉換器預分頻器(預定標器)使能0:無效1:有效

#define PRSCVL 32//AD轉換器預分頻器(預定標器)值數(shù)值:0～255

#define SEL_MUX 5//模擬輸入通道選擇000:AIN0 001:AIN1 010:AIN2011:AIN3100:YM 101:YP 110:XM 111:XP

#define STDBM 0//備用操作模式選擇0:普通操作模式1:備用模式

#define START 0//AD轉換通過讀取開始。0表示通過讀取操作開始無效，1表示通過讀取操作開始有效

#define ENABLE_START 0//AD轉換開始有效。如果READ_START有效，該值無效。0表示無操作，1表示AD轉換開始且該位在開始后清零

注:當觸摸屏觸點(YM，YP，XM，XP)無效，這些引腳應該用于作為ADC 的模擬輸入引腳(AIN4，AIN5，AIN6，AIN7)。

/*ADC觸摸屏控制寄存器:ADCTSC、地址0x58000004、復位值0x58*/#define UD_SEN 0//檢測光標上下狀態(tài)0:檢測光標按下中斷信號1:檢測光標抬起中斷信號

#define PULL_UP 1//上拉開關使能。0表示XP上拉有效，1表示XP上拉無效。

#define AUTO_PST 1//自動連續(xù)轉換X坐標和Y坐標:0表示普通ADC轉換，1表示自動連續(xù)測量X坐標和Y坐標

ADC觸摸屏控制寄存器如表5所示。

表5 ADC觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)

1)ADC開始延時寄存器:ADCDLY、地址0x58000008、復位值0x00FF。

2)ADC轉換數(shù)據寄存器0:ADCDAT0、地址0x5800000C。

3)ADC轉換數(shù)據寄存器1:ADCDAT1、地址0x58000010。

ADC轉換數(shù)據寄存器(ADCDAT0/ADCDAT1)如表6所示。

表6 ADC轉換數(shù)據寄存器(ADCDAT0/ADCDAT1)

4)ADC觸摸屏指針上下中斷檢測寄存器:ADCUPDN、地址0x58000014、復位值0x0，即

ADC觸摸屏指針上下中斷檢測寄存器(ADCUPDN)如表7所示。

表7 ADC觸摸屏指針上下中斷檢測寄存器(ADCUPDN)

除上述初始化程序外，以下是該顯示驅動的主要程序，供讀者參考:

6 小結

通過以上對各寄存器的分析得知，只要根據所用的TFT觸摸屏的參數(shù)，將ARM的LCD控制器與ADC觸摸控制器對所設計的TFT－LCD及觸摸屏項目參數(shù)對應找到修改寄存器的數(shù)值，即可達到控制的目的。程序編寫時應根據數(shù)據的寬度適當調整DELAY控制參數(shù)。觸摸屏讀取X，Y數(shù)據時，應適當加入延時程序，防止抖動。ARM的LCD控制器允許設置VCLK，VLINE，VFRAME等信號的極性(上升沿有效還是下降沿有效)，需要對照設計的LCD的說明書進行確認。如果不是使用三星LPC3600/LCC3600LCD，必須禁止LPC3600/LCC3600模式。

［1］RM9 基礎實驗教程［EB/OL］.［2011－11－10］.http://www.embedinfo.com/.

［2］Roduct specifications 4.3”FT－LCD with touch panel module Model No.:WXCAT43－TG3#001［EB/OL］.［2011－ 11－10］.http://wenku.baidu.com/view/ae4cac2a3169a4517723a310.html?from=related.

［3］應云，曾偉，陳家勝.基于ARM的智能顯示終端［J］.電子測量技術，2008，31(1):160－162.

［4］曉光，王永明，祝明德.基于CPLD的液晶顯示屏與嵌入式處理器的接口設計［J］. 電子測量技術，2006(5):36－38.