基于ARM控制器的TFT－LCD顯示系統(tǒng)

張有迪， 張傳勝

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

目前，隨著人們生活水平的提高，平面顯示技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活當(dāng)中，而液晶顯示（LiquldcrystalDisplay，LCD）器件以其體積小、重量輕、低電壓、低功耗、低輻射等特點(diǎn)具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。其中，TFT－LCD以其大容量、高清晰和全色彩視頻等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前顯示領(lǐng)域的主流，在消費(fèi)電子、工業(yè)控制以及航天等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文中采用三星公司的ARM9處理器S3C2440和東華公司的WXCAT43液晶顯示模塊，通過(guò)對(duì)S3C2440與WXCAT43的硬件連接設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了圖像信號(hào)的正確顯示。

1 處理器與顯示器的選擇

一般而言，TFT－LCD顯示系統(tǒng)僅僅是整個(gè)系統(tǒng)的一部分，考慮到系統(tǒng)可能還需要進(jìn)行其它部件的控制驅(qū)動(dòng)和算法的運(yùn)行，從整體的成本、功耗以及處理速度考慮，采用三星公司的S3C2440作為嵌入式微處理器。S3C2440是三星公司推出的一款32位RISC處理器，主頻高達(dá)400MHz，具有5級(jí)流水線，指令處理速度為300MIPS[1－2]。S3C2440具有豐富的片上外設(shè)資源，其中包括異步串行口、以太網(wǎng)接口、CAN總線接口、USB HOST和CLIENT接口、IIS音頻接口，以及TFT－LCD接口和觸摸屏接口。液晶顯示模塊選WXCAT43顯示模塊。該模塊為4.3寸屏，由驅(qū)動(dòng)電路、背光燈、4線電阻觸摸屏組成，具有480×272的分辨率，可以顯示16.7M色，適用于各種終端設(shè)備的顯示。

2 處理器與顯示器的硬件連接

2.1 LCD控制器

S3C2440內(nèi)部自帶1個(gè)LCD控制器，通過(guò)不同的設(shè)置可以與單色、灰度、彩色STN型和TFT型的LCD直接相連。作用是將顯示緩沖區(qū)中的LCD圖像數(shù)據(jù)傳送到外部LCD驅(qū)動(dòng)器，并產(chǎn)生必須的控制信號(hào)。LCD控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及接口信號(hào)如圖1所示。

圖1 LCD控制器結(jié)構(gòu)圖

其中，REGBANK是LCD控制器的寄存器組，用來(lái)設(shè)置LCD的各項(xiàng)參數(shù)；LCDCDMA是LCD控制器專用的DMA通道，負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的傳輸；TIMEGEN由可編程邏輯組成，以支持不同LCD驅(qū)動(dòng)器的接口時(shí)序和速率的不同要求。VIDPRCS接受LCDCDMA來(lái)的圖像數(shù)據(jù)，并將其改變到合適的數(shù)據(jù)格式后由VD[23：0]送到LCD驅(qū)動(dòng)器。

2.2 接口設(shè)計(jì)

WXCAT43要求其電源供電電壓VDD的取值范圍是2.5～3.6V，典型值為3.3V，并且LCD輸入數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的高電平輸入電壓VIH在2.8～3.6V范圍內(nèi)，低電平輸入電壓VIL在0～0.8V范圍內(nèi)；而S3C2440的I／O口的高電平輸出電壓VOH范圍是2.8～3.6V，低電平輸出電壓VOL范圍是0～0.3V。所以，WXCAT43可以直接與S3C2440相連，其電路圖如圖2所示。

S3C2440具有24位數(shù)據(jù)端口 VD[23：0]，與WXCAT43的RGB數(shù)據(jù)端口相連。S3C2440支持24bpp，16bpp，8bpp，4bpp和2bpp等顯示模式。本設(shè)計(jì)采用24bpp格式，每8位表示一種顏色分量。藍(lán)色視頻信號(hào)由VD[0：7]輸出，綠色視頻信號(hào)由VD[8：15]輸出，紅色視頻信號(hào)由VD[16：23]輸出。

圖2 硬件接口原理圖

S3C2440的通用I／O口GPG4具有3種功能，這里選擇其第3功能：LCD電壓控制引腳，并與LCD panel的片選引腳／CS相連，引腳狀態(tài)為高電平時(shí)，LCD點(diǎn)亮；低電平時(shí)，LCD熄滅。

S3C2440的LCD控制端口與WXCAT43的控制信號(hào)端口相連，為液晶提供操作時(shí)序。其中：VCLK為傳輸像素?cái)?shù)據(jù)提供時(shí)鐘；VSYNC為垂直同步信號(hào)，高電平表示一幀圖像數(shù)據(jù)有效；HSYNC為水平同步信號(hào)，高電平表示一行數(shù)據(jù)有效；VDEN與LCD的DE相連，高電平表示VD[23：0]上的數(shù)據(jù)有效。這些信號(hào)必須與液晶所需時(shí)序相一致才能使液晶正常工作。

在數(shù)據(jù)和控制接口的連接上要注意走線長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，否則液晶有可能不能正確顯示圖像。同時(shí)，可以把LCD控制器的輸出引腳加上如傳輸門(mén)74LVTH162245加以驅(qū)動(dòng)，使顯示更加穩(wěn)定。

3 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)調(diào)試

在對(duì)WXCAT43進(jìn)行圖像顯示等操作前，首先要初始化LCD控制器。最重要的是根據(jù)WXCAT43的時(shí)序圖，對(duì)LCD控制器的寄存器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

3.1 時(shí)序匹配

WXCAT43的時(shí)序波形如圖3所示。

圖3 時(shí)序圖

LCD＿PWREN控制LCD的開(kāi)關(guān)，高電平表示LCD開(kāi)啟，由ENVID域控制；VSYNC是垂直同步信號(hào)，用于確定LCD的場(chǎng)頻，即每秒屏幕刷新的次數(shù)。HSYNC是水平同步信號(hào)，用于確定LCD的行頻，即每秒屏幕掃描一行的次數(shù)，VSYNC為低電平是有效。VDEN是數(shù)據(jù)使能信號(hào)，高電平表示 VD[23：0]上的數(shù)據(jù)有效[3]。

3.1.1 像素時(shí)鐘VCLK的確定

LCD控制器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要像素時(shí)鐘VCLK進(jìn)行同步。VCLK是通過(guò)對(duì)控制器的時(shí)鐘源HCLK進(jìn)行分頻得到，方法是設(shè)置寄存器LCDCON1中的CLKVAL域，公式為：

系統(tǒng)采用HCLK的頻率為100MHz，而LCD panel的像素時(shí)鐘信號(hào)為6.4MHz，通過(guò)上式計(jì)算CLKVAL值，結(jié)果為6.8，取整后（值為6）放入寄存器LCDCON1中相應(yīng)的位置。由于CLKVAL進(jìn)行了取整，需要重新計(jì)算VCLK，得到VCLK＝7.1MHz。

3.1.2 行頻和場(chǎng)頻的確定

在一幀圖像的時(shí)鐘信號(hào)中，有一些時(shí)鐘是與顯示無(wú)關(guān)的。包括 HSYNC信號(hào)的前肩（HF－PD），后肩（HBPD）和脈寬 HSPW，VSYNC信號(hào)的前肩（VFPD），后肩（VBPD）和脈寬 VSPW，這些信號(hào)時(shí)序內(nèi)，沒(méi)有有效像素信號(hào)出現(xiàn)。在計(jì)算行頻和場(chǎng)頻時(shí)要包括這些信號(hào)。時(shí)間參數(shù)具體取值見(jiàn)表1。

表1 時(shí)間參數(shù)

其中，HBPD，HFPD和HSPW的單位是一個(gè)VCLK的時(shí)間P（1），VSPW，VFPD和 VBPD的單位是掃描一行所用的時(shí)間 H（1）[3]。

在s3c2440中，這些信號(hào)的值為實(shí)際值減1。

3.2 顯示器的初始化

要讓LCD正確地顯示圖像，在使用之前需要對(duì)LCD控制器進(jìn)初始化。初始化的內(nèi)容主要包括管腳功能的配置、LCD控制寄存器的配置以及圖像緩沖區(qū)地址的設(shè)置。

3.2.1 顯示器的初始化LCD接口配置

S3C2440的LCD接口（包括數(shù)據(jù)接口和控制接口）是與通用輸入／輸出接口（General－Purpose Input／Output，GPIO）復(fù)用的[4－7]。其中：C組I／O口GPC[15：0]提供了LCD數(shù)據(jù)接口的低8位VD[7：0]，以及所有的控制接口；D 組I／O 口GPD[15：0]提供了LCD的剩余16位數(shù)據(jù)接口VD[23：8]。下面的代碼顯示了如何將這兩個(gè)GPIO口配置為L(zhǎng)CD接口模式：

將兩組端口的上拉使能寄存器rGPCUP和rGPDUP設(shè)為全0，使能上拉電阻，來(lái)保證管腳的電流能夠驅(qū)動(dòng)LCD panel。C組控制寄存器rGPCCON的低16位設(shè)為02a9使能LCD控制接口。

3.2.2 LCD控制器寄存器的設(shè)置

LCD寄存器包括5個(gè)：LCDCON1～LCDCON5。其中：LCDCON1用于設(shè)置像素時(shí)鐘的頻率（設(shè)置CLK＿VAL域）和使能LCD控制器（設(shè)置ENVID域）；LCDCON2～LCDCON4用于設(shè)置場(chǎng)頻信號(hào)和行頻信號(hào)的前肩寬、后肩寬和脈寬，這些參數(shù)在時(shí)序匹配中已經(jīng)得到，不再重復(fù)，注意在設(shè)置時(shí)要將實(shí)際值減1。代碼如下：

3.2.3 緩沖區(qū)地址設(shè)置

系統(tǒng)采用液晶屏的尺寸為480×272，24bpp的非調(diào)色板真彩色模式。24位顏色模式要用32位數(shù)據(jù)來(lái)表示的，因此，定義一個(gè)與屏幕尺寸大小相同的全字整型二維數(shù)組作為圖像數(shù)據(jù)的緩存區(qū)：unsigned int LCD＿BUFFER[480][272]。

在s3c2440中，寄存器LCDSADDR1和LCDSADDR2用于設(shè)置顯示緩存區(qū)。其中：

LCDBANK域：9位數(shù)據(jù)，指定 LCD的BANK，即顯示緩存區(qū)的第30位到第22位地址；

LCDBASEU域：21位數(shù)據(jù)，指定LCD的基址，即顯示緩存區(qū)開(kāi)始地址的第21位到第1位；

LCDBASEL域：21位數(shù)據(jù)，指定LCD的尾址，即顯示緩存區(qū)結(jié)束地址的第21位到第1位。

代碼如下：

rLCDSADDR1＝（（（U32）LCD＿BUFFER＞＞22）＜＜21）｜M5D（（U32）LCD＿BUFFER＞＞1）；

rLCDSADDR2＝M5D（（（U32）LCD＿BUFFER＋（LCD＿WIDTH＊LCD＿HEIGHT＊4））＞＞1）；

4 顯示函數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)測(cè)

完成了LCD的初始化后，就可以在屏幕上顯示內(nèi)容了，只要把所要顯示的數(shù)據(jù)寫(xiě)入上述顯示緩沖區(qū)即可。注意，由于顯示緩沖區(qū)用32位表示一個(gè)像素，因此寫(xiě)入的數(shù)據(jù)也應(yīng)該是32位。這里以顯示一幅圖片為例，給出主要的程序代碼：

void paint＿bmp（int x0，int y0，int h，int l，unsigned char bmp[]）

｛

int x，y；

U32c；

int p＝0；

for（y＝0；y＜1；y＋＋）

｛

for（x＝0；x＜h；x＋＋）

｛

c＝bmp[p＋1]｜（bmp[p]＜＜8）；

if（（（x0＋x）＜320＆＆（（y0＋y）＜240））

LCD＿BUFFER[y0＋y][x0＋x]＝c；

p＝p＋2；

｝

｝

｝

顯示效果如圖4和圖5所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本方案以嵌入式微處理器S3C2440和TFTLCD模塊WXCAT43為硬件基礎(chǔ)，給出了硬件接口電路，并對(duì)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析。實(shí)現(xiàn)了LCD上圖像的正確顯示，為多媒體電話機(jī)的后續(xù)開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖4 TFT－LCD顯示效果1

圖5 TFT－LCD顯示效果2

[1]付虹，劉桂方，李春善，等.S3C2440的LCD控制器的配置與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010（11）：2470－2473.

[2]周立功.ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3]劉躍鋒，宋永霞，李松濤.一種基于直方圖對(duì)二值圖像進(jìn)行處理的方法[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（5）：554－558.

[4]萬(wàn)永波，張根寶，田澤，等.基于ARM的LCD控制器的配置與編程應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28（5）：1196－1198.

[5]王明富，楊世洪，吳欽章.大面陣CCD圖像實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2010，18（9）：2053－2059.

[6]武偉，王宏志，宋宇.基于偏微分方程的圖像去噪算法[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（5）：554－557.

[7]楊輝，冉峰，黃舒平.面陣CCD彩色視頻圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2010，18（1）：273－280.