基于嵌入式CPU S3C2440的VGA顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于VGA接口時(shí)序，以高性能視頻D/A芯片ADV7120為核心。實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式CPUS3C2440的VGA顯示子系統(tǒng)。系統(tǒng)一方面利用S3C24 40自帶的LCD控制器產(chǎn)生符合VGA顯示要求的時(shí)序邏輯，另一方面通過LCD數(shù)據(jù)線將數(shù)字RGB信號(hào)傳遞給具有8路通道的視頻D/A芯片ADV7120，產(chǎn)生VGA顯示需要的模擬色彩信號(hào)。通過TFTLCD掃描顯示的時(shí)序與VGA掃描顯示時(shí)序的匹配，驅(qū)動(dòng)VGA顯示屏。該系統(tǒng)能夠達(dá)到正常顯示色彩信息的要求，且價(jià)格低廉，適用于對(duì)顯示效果要求不苛刻，但要求大尺寸顯示屏且對(duì)價(jià)格敏感的嵌入式應(yīng)用中。

目前很多SOC廠商的微處理器芯片都集成了LCD控制器，如三星公司的S3C2410.S3C2440，Intel的Xscale系列等。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)也采用流行的LCD顯示技術(shù)。但是在需要大屏幕顯示、對(duì)分辨率要求不高的場(chǎng)合，如車間、廠房，采用大屏幕LCD則成本過高。另一方面，VGA顯示技術(shù)因?yàn)榧夹g(shù)發(fā)展成熟，成本低廉，仍在被大量使用，直到今天它仍是所有顯示終端最為成熟的標(biāo)準(zhǔn)接口。如果讓嵌入式處理器直接支持VGA顯示器，則能很大地利用現(xiàn)有資源，節(jié)約系統(tǒng)成本。

1 基于S3C2440的VGA顯示技術(shù)分析

通過分析VGA顯示技術(shù)的時(shí)序邏輯與S3C2440內(nèi)部集成LCD控制器驅(qū)動(dòng)TFT LCD的時(shí)序邏輯，找出它們的共同點(diǎn)，分析在S3C2440上應(yīng)用VGA顯示接口的可行性。

1.1 VGA顯示原理

VGA（Video Graphics Arrnay）是IBM公司提出的目前仍然廣泛應(yīng)用于PC的顯示接口。該接口具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。VGA接口在物理上表現(xiàn)為DB15的插座，其中VGA適配器端使用的是陰性DB15標(biāo)準(zhǔn)的接口。其引腳定義如表1所示。

表1 VGA適配器引腳定義

VGA接口使用模擬RGB通道，逐點(diǎn)、逐行掃描。其時(shí)序如圖1所示。VGA接口信號(hào)為模擬信號(hào)，其關(guān)鍵信號(hào)有5個(gè)，分別是Horizontal Sync水平同步信號(hào)（也叫行同步信號(hào)），垂直同步信號(hào)Vertical Sync（也叫場(chǎng)同步信號(hào)），紅色模擬信號(hào)，綠色模擬信號(hào)和籃色模擬信號(hào)。電子槍從左至右，從上而下的進(jìn)行掃描，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行同步。掃描完所有的行后用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步。因電子槍偏轉(zhuǎn)需要時(shí)間，所以掃完回轉(zhuǎn)中，要對(duì)電子槍進(jìn)行消隱控制，在每行結(jié)束后的回轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行行消隱，在每場(chǎng)結(jié)束后的回轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行場(chǎng)消隱。消隱過程中不發(fā)送電子束。

圖1 VGA的掃描時(shí)序

1. 2 TFT LCD顯示屏掃描時(shí)序分析

基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440芯片外圍集成了LCD控制器，LCD控制器被用來向LCD傳輸圖像數(shù)據(jù)，并提供必要的控制信號(hào)，比如VFRAME、VLINE、VCLK、VM等。除此之外，LCD控制器還包括一組控制寄存器：LCDCON1寄存器、LCDCON2寄存器、LCDCON3寄存器、LCDCON4寄存器、LCD CON5寄存器。這些寄存器的設(shè)置與顯示屏信息、控制時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸格式等密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)中需要根據(jù)顯示設(shè)備的具體信息正確設(shè)置這些寄存器才能使S3C2440正?？刂乞?qū)動(dòng)不同的顯示屏。

典垂的TFT液晶顯示屏的掃描對(duì)序如圖2所示。

圖2 典型TFT LCD掃描時(shí)序

其中主要包括：

1）幀（垂直）同步（VSYNC）：用高電平（或低電平）表示掃描一幀的起始。

2）行（水平）同步（HSYNC）：用高電平（或低電平）表示掃描一行的起始。

3）時(shí)鐘（VCLK）：通過上升沿（或下降沿）把數(shù)據(jù)寫入液晶屏。

4）數(shù)據(jù)有效控制（VDEN）：表示是否開啟TFT輸出。

5）數(shù)據(jù)信號(hào)（VD）：表示每個(gè)點(diǎn)的顏色，通常有16位、18位、24位等模式。

通過對(duì)比VGA接口的時(shí)序和TFT LCD液晶顯示屏的掃描時(shí)序，可以看出它們很相似。這就為用LCD控制器驅(qū)動(dòng)VGA顯示屏提供了內(nèi)在的可能性。而且一旦實(shí)現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)接方案，由于是由硬件實(shí)現(xiàn)的兩種接口的電氣轉(zhuǎn)換，不需要寫任何驅(qū)動(dòng)程序，是在嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上擴(kuò)展VGA接口的最方便的方案。比較兩種接口的特性，要實(shí)現(xiàn)從TFT時(shí)序到VGA時(shí)序的轉(zhuǎn)換，需要解決的向題有：

1）TFT液晶掃描同步信號(hào)和VGA同步信號(hào)的電平問題。

2）TFT液晶控制器的輸出是RGB數(shù)字接口，而VGA的紅綠藍(lán)通道時(shí)模擬量，兩者需要通過D/A轉(zhuǎn)換。使用D/A要考慮轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換通道數(shù)等問題。其中，為滿足真彩色（24位）的要求，8位的轉(zhuǎn)換精度就可以?；赩GA對(duì)幀頻的要求，每個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換頻率必須大于27 MHz，同時(shí)，必須至少有3個(gè)通道同時(shí)轉(zhuǎn)換，以滿足紅綠藍(lán)（RGB）3個(gè)通道的輸出。

針對(duì)這種轉(zhuǎn)換的D/A通常稱為視頻D/A，本設(shè)計(jì)采用ATI公司的視頻D/A芯片ADV7120。

1.3 ADV7120簡(jiǎn)介

ADV7120是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其像素掃描時(shí)鐘頻率有30、50、80 MHz 3個(gè)等級(jí)。ADV7120在單芯片上集成了3個(gè)獨(dú)立的8位高速D/A轉(zhuǎn)換器，可以分別處理紅、綠、藍(lán)視頻數(shù)據(jù)，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速D/A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用系統(tǒng)。

ADV7120的輸入及控制信號(hào)非常簡(jiǎn)單：3組8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，分別對(duì)應(yīng)RGB視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入端采用標(biāo)準(zhǔn)TTL電平接口；4條視頻控制信號(hào)線包括復(fù)合同步信號(hào)SYNC、消隱信號(hào)BLANK、白電平參考信號(hào)REFWHITE和像索時(shí)鐘信號(hào)CLOCK;外接一個(gè)1.23 V數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓源和1個(gè)輸出滿度調(diào)節(jié)。只有4條輸出信號(hào)線：模擬RGB信號(hào)采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅(qū)動(dòng)75 Ω同軸傳輸線；同步參考電流輸出信號(hào)Isync用來在綠視頻模擬信號(hào)中編碼視頻同步信息。

2 VGA接口電路設(shè)計(jì)
     
 如前所述，VGA接口的時(shí)序和LCD掃描式接口的時(shí)序是一致的，利用ADV7120組成的TFT液晶時(shí)序到VGA接口的轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 VGA接口電路組成框圖

根據(jù)ADV7120的數(shù)據(jù)手冊(cè)，ADV7120對(duì)參考電平的要求度很高，不能以電阻分壓電路代替。本設(shè)計(jì)中采用了1.235 V電壓基準(zhǔn)芯片AD589來產(chǎn)生參考電壓。

3 VGA顯示模式的選擇及S3C2440 LCD controller中相應(yīng)控制寄存器的設(shè)置

最初VGA的顯示包含幾種模式，最初VGA的分辨率被定義為640x480，接著更高分辨率的SVGA、XVGA等標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上被提出，接口上都兼容VGA標(biāo)準(zhǔn)，所以，習(xí)慣上把所有這種接口都稱為VGA接口。不同的顯示模式對(duì)應(yīng)的VGA時(shí)序中的時(shí)間參數(shù)不同，選定一種顯示模式后，就要配置LCD控制器，使其產(chǎn)生的時(shí)序參數(shù)符合VGA模式的要求，這樣才能成功驅(qū)動(dòng)VGA接口，否則VGA顯示端會(huì)閃爍、模糊甚至不顯示。

在這里選擇分辨率為640x480、刷新頻率為60 Hz、16位彩色的VGA顯示模式，并在此模式下完成對(duì)LCD控制器相關(guān)寄存器的配置。使LCD控制器輸出的時(shí)序邏輯能符合該模式下VGA顯示的要求。在該模式下VGA接口同步信號(hào)時(shí)序如圖4所示。

圖4 VGA接口同步信號(hào)時(shí)序

下面根據(jù)圖4的VGA接口同步信號(hào)時(shí)序?qū)χ饕腖CD控制器中的控制寄存器進(jìn)行配置：

1）LCDCON1寄存器

CLKVAL：確定VCLK頻率的參數(shù)。公式為VCLK-HCLK/［（CLKVAL+1）x2］。在本設(shè)計(jì)中S3C2440的HCLK=100 MHz，顯示屏需要VCLK=20MHz，故需設(shè)置CLKVAL=1.

BPPMODE：確定BPP（每像素位散）。選擇BPPMODE=0xC，即選擇TFT 16位模式。

2）LCDCON2寄存器

VBPD：確定幀同步信號(hào)和幀數(shù)據(jù)傳輸前的時(shí)延，是幀數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，參照?qǐng)D4中的時(shí)間數(shù)據(jù)可知，VBPD=t3/t6=1.02 ms/31.77 μs=32.

LINEVAL：確定顯示的垂直方向大小。公式：LINEVAL=YSIZE-1=479.

VFPD：確定幀數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一幀同步信號(hào)到來的一段延時(shí)，是幀數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，參照?qǐng)D4中的時(shí)間數(shù)據(jù)可知，VFPD=t5/t6=0.35 ms/31.77μs=11.

VSPW：確定幀同步時(shí)鐘脈沖寬度，是幀同步信號(hào)時(shí)鐘寬度和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值。如圖4，VSPW=t2/t6=0.06 ms/31.77 μs=2.

3）LCDCON3寄存器

HBPD：確定行同步信號(hào)和行數(shù)據(jù)傳輸前的一段延時(shí)，描述行數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，如圖4，VBPD=t7xVCLK=1.89 μsx25 MHz=47.

HOZAL：確定顯示的水平方向尺寸。這里HOZAL=XSIZE-1=639.

HFPD：確定行數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一行同步信號(hào)到來的一段延遲時(shí)間，描述行數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，如圖4，HFPD=t9xVC LK=0.94 μsx25 MHz=24.

4）LCDCON4寄存器

HSPW：確定行同步時(shí)鐘脈沖寬度。描述行同步脈沖寬度時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，如圖4，HSPW=3.77 μsx25 MHz=94.

5）LCDCON5寄存器

BPP24BL：確定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。此處設(shè)置BPP24BL=0x0，即選擇小端模式存放

FRM565：確定16位數(shù)據(jù)輸出格式。設(shè)置FRM565=0x1，即選擇5:6：5的輸出格式。

通過如上的方式設(shè)計(jì)VGA接口電路并相應(yīng)的設(shè)置LCD控制器寄存器，實(shí)現(xiàn)了LCD數(shù)字輸出與D/A轉(zhuǎn)換的無縫連接，不需要任何額外的驅(qū)動(dòng)程序就可以將原來在LCD上輸出的圖像信息輸出到VGA顯示屏上。

4 測(cè)試與結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過分析VGA接口時(shí)序與S3C2440TFT LCD接口時(shí)序的相同點(diǎn)，論證了用S3C2440自帶的LCD controler來驅(qū)動(dòng)VGA顯示器的可行性，時(shí)序的匹配是本設(shè)計(jì)成功最關(guān)鍵的地方，在滿足接口時(shí)序要求的前提下，用高速三路8位視頻D/A芯片將LCD接口的數(shù)字RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成VGA接口所需要的模擬信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，圖像信息通過VGA轉(zhuǎn)換電路，在顯示屏上顯示良好，無明顯抖動(dòng)，滿足普通的顯示要求。由于主機(jī)采用ARM嵌入式微處理器，與傳統(tǒng)X86主機(jī)相比，大大降低了整機(jī)系統(tǒng)的成本。這種廉價(jià)、簡(jiǎn)單的顯示方案可以廣泛應(yīng)用到各種對(duì)顯示效果要求不高但要求大尺寸屏幕的場(chǎng)合.