基于S3C2410的TFT-LCD驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

引言
    隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有耗電少、亮度高、體積小等特點(diǎn)的液晶顯示器被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。S3C2410是三星公司開發(fā)的一款以ARM920T為核心的16/32位嵌入式處理器。它主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用。LTS350Q1-PE1是三星電子公司生產(chǎn)的一款非晶硅有源矩陣TFT-LCD，它具有功耗低、亮度高和體積小等特點(diǎn)，目前在嵌入式設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。

    基于S3C2410，采用LTS350Q1-PE1作為顯示設(shè)備可以構(gòu)成一個(gè)基于嵌入式平臺的液晶顯示系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)嵌入式手持設(shè)備的功能要求。但是，要想S3C2410的LCD控制器可以正確有效地控制TFT-LCD，需要設(shè)計(jì)兩者之間的硬件驅(qū)動電路。本文設(shè)計(jì)了LTS350Q1-PE1的硬件驅(qū)動電路，將S3C2410的LCD控制器和TFT-LCD結(jié)合起來構(gòu)成嵌入式液晶顯示系統(tǒng)。調(diào)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)正確，本文所設(shè)計(jì)的液晶顯示器的驅(qū)動電路只需要嵌入式處理器給出像點(diǎn)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)使能信號和RGB數(shù)據(jù)信號，因此，可以不做硬件上的修改就能成為以其它處理器為平臺的顯示解決方案，具有較大的靈活性和實(shí)用性。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

TFT-LCD驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
    TFT-LCD驅(qū)動電路的主體部分由多路電壓源、能夠給出正確數(shù)字邏輯信號的電路以及為了看到顯示畫面而設(shè)計(jì)的背光驅(qū)動電路構(gòu)成，另外，不同的液晶顯示器因?yàn)閮?nèi)部電路的差別還需要一些不同的外圍附屬電路。

多路電壓產(chǎn)生電路
    由于液晶屏內(nèi)集成有數(shù)字電路和模擬電路，需要外部提供數(shù)字電壓和模擬電壓。另外，為了完成數(shù)據(jù)掃描，需要TFT輪流開啟/關(guān)閉。當(dāng)TFT開啟時(shí)，數(shù)據(jù)通過源極驅(qū)動器加載到顯示電極，顯示電極和公共電極間的電壓差再作用于液晶實(shí)現(xiàn)顯示，因此需要控制TFT的開啟電壓VON、關(guān)閉電壓VOFF，以及加到公共電極上的電壓VCOM，各電壓的具體要求見表1。

    本系統(tǒng)通過DC-DC變換器，用數(shù)字電壓產(chǎn)生多路電壓，即模擬電壓、柵極開啟電壓和柵極關(guān)斷電壓。本文采用MAX1779產(chǎn)生模擬電壓AVDD、柵極開啟電壓VON及柵極關(guān)斷電壓VOFF，如圖2所示。MAX1779內(nèi)部集成有3個(gè)DC-DC變換器，可以為小型TFT液晶屏提供高效的調(diào)節(jié)電壓。公共電壓(VCOM)由圖3所示的電路產(chǎn)生，其中AD8541是帶寬為1MHz、滿幅度輸出的低功耗運(yùn)算放大器。

圖2  DC/DC變換電路

數(shù)字時(shí)序匹配電路
    為特定型號液晶屏提供時(shí)序信號通常采用專用的驅(qū)動芯片來實(shí)現(xiàn)，也可通過FPGA、CPLD等可編程器件實(shí)現(xiàn)。由于可編程器件面積較大、成本較高，因而通常只在需要對電路進(jìn)行靈活配置的情況下才使用。用來匹配時(shí)序信號的專用芯片是經(jīng)過測試和實(shí)踐驗(yàn)證的，具有體積小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，通常也被稱為液晶屏的伴侶芯片。LTS350Q1-PE1的伴侶芯片是LC3600A，所設(shè)計(jì)的時(shí)序電路如圖4所示。

圖3  VCOM 產(chǎn)生電路

圖4  LTS350Q1-PE1時(shí)序信號產(chǎn)生電路

背光驅(qū)動電路
    為了能夠看到液晶屏上顯示的畫面，必須為液晶屏提供背光源。LTS350Q1-PE1內(nèi)部采用的是LED背光方式，為此選擇了專用的LED驅(qū)動芯片MP1521，具體電路如圖5所示。MP1521有3組獨(dú)立的電流反饋回路，可同時(shí)驅(qū)動3組并聯(lián)的LED，現(xiàn)將3個(gè)反饋回路短接，用于驅(qū)動6個(gè)白色LED背光燈，可以提供更大的驅(qū)動電流，電路設(shè)計(jì)有過流保護(hù)功能。圖5中R206為反饋電阻，用于采樣輸出電流。顯示屏的亮度可通過MP1521第5引腳上的電壓來調(diào)節(jié)，為了提高應(yīng)用的靈活性，本設(shè)計(jì)將該引腳接為固定電平。為了節(jié)省功耗，電路接有使能控制端LCD_PWREN，高電平時(shí)電路工作；低電平時(shí)電路關(guān)斷，以便節(jié)省功耗。

圖5 LED背光驅(qū)動電路

灰度電壓產(chǎn)生電路
    源極驅(qū)動器根據(jù)數(shù)據(jù)信號的大小選擇加到每個(gè)點(diǎn)的電壓。因?yàn)榧拥皆礃O驅(qū)動器的數(shù)據(jù)為18bit，其中RGB分量各為6bit，因而每個(gè)點(diǎn)可以有64種灰度的變化。由于集成度的限制，灰度參考電壓電路需要由外部給出。

S3C2410 LCD控制器的設(shè)置方法
結(jié)構(gòu)和信號說明
    S3C2410 LCD控制器用來傳輸圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，該控制器由REGBANK(控制寄存器組)、LCDCDMA(專用DMA)、VIDPCS(視頻信號處理單元)、LPC3600和TIMEGEN(時(shí)序信號產(chǎn)生單元)組成。其中REGBANK包含17個(gè)可編程寄存器和幾個(gè)256×16的調(diào)色板存儲器，用來配置LCD控制器，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)；而LCDCDMA提供了視頻信號的快速傳輸通道，自動通過系統(tǒng)總線從系統(tǒng)幀緩存中取出視頻數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)揭曨l信號處理單元；VIDPCS將專用DMA中取出的信號進(jìn)行整形并提高驅(qū)動能力等處理后，輸出到外部數(shù)據(jù)端口VD[23:0]; TIMEGEN和LPC3600負(fù)責(zé)產(chǎn)生 LCD屏所需要的控制時(shí)序。

圖6 液晶驅(qū)動電路底面圖

    S3C2410 LCD控制器可以產(chǎn)生的用于控制TFT-LCD的時(shí)序信號主要包括VCLK(像點(diǎn)時(shí)鐘)、VDEN(數(shù)據(jù)有效信號)、VSYNC(垂直同步信號)、HSYNC(水平同步信號)、LEND(行結(jié)束信號)及LCD_PWREN(液晶屏使能信號)。VCLK信號是LCD控制器和LCD驅(qū)動器的像素時(shí)鐘信號， LCD控制器在VCLK信號的上升沿處將數(shù)據(jù)送出，在VCLK信號的下降沿處被LCD控制器采樣；VSYNC信號是垂直同步信號(也稱幀同步信號)，用來指示新的一幀圖像的開始；HSYNC信號是水平同步信號(或行同步信號)，用來給出新的一行掃描信號的開始；VDEN信號是數(shù)據(jù)使能信號；LEND信號是行掃描結(jié)束信號，LCD驅(qū)動器在每掃描一行像素后給出該信號；LCD_PWREN信號用來控制LCD控制器的開或關(guān)，以便降低功耗，它需要LCD控制器硬件設(shè)計(jì)的支持。

寄存器和設(shè)置說明
    S3C2410的LCD控制器內(nèi)部設(shè)有較多的寄存器，其中與時(shí)序信號高度相關(guān)的寄存器位于寄存器組中的LCDCON1/2/3/4/5。本文設(shè)計(jì)的LCD驅(qū)動器需要LCD控制器給出VCLK、VDEN、LCD_PWREN和VD[23:0]信號，其中VCLK信號依賴于LCDCON1寄存器中CLKVAL和S3C2410的HCLK的取值，具體公式為：VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]。VSYNC和HSYNC的產(chǎn)生依賴于LCDCON2/3寄存器及HOZVAL和LINEVAL的配置，其中HOZVAL=水平像素?cái)?shù)-1，LINEVAL＝垂直顯示尺寸-1。幀頻率VSYNC與LCDCON1/2/3/4寄存器中的VSPW、VBPD、VFPD、LINEVAL、HSYNC、HBPD、HFPD、HOZVAL和CLKVAL有關(guān)，具體公式為：
Frame Rate(VSYNC)=1/{[(VSPW+1)+(VBPD+1)+ (VFPD+1)+(LINEVAL+1)] 碵(HSPW+1)+(HBPD+1)+ (HFPD+1)+(HOZVAL+1)] 碵2?CLKVAL+1)/HVLK]}
其中，HOZVAL=240-1=239，LINEVAL=320-1=319。

系統(tǒng)測試結(jié)果
    在軟硬件研制開發(fā)完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，圖6是PCB板的地面元件布局圖，測試結(jié)果顯示，液晶屏可以正常顯示，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于設(shè)計(jì)的硬件驅(qū)動電路只需要LCD 控制器給出像點(diǎn)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)使能信號和RGB數(shù)據(jù)信號，因此，為移植到不同的平臺帶來了較大的靈活性，實(shí)用性很強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)
1 Samsung Electronics. User’s Manual S3C2410X 32-Bit RISC Microprocessor [Z] .2003.372-413.
2 堀浩雄，鈴木幸治主編，金軫裕譯. 彩色液晶顯示. 北京：科學(xué)出版社，2003