對(duì)主板卡EC3-1542CLDN的LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EC3-1542CLDN是一款146 mm×102 mm尺寸的嵌入式單板電腦，其CPU采用美國國家半導(dǎo)體公司最新超低功耗BGA封裝CPU芯片，在0～60℃工作范圍內(nèi)無需風(fēng)扇，徹底解決了由于風(fēng)扇可靠性低引起的系統(tǒng)故障。EC3-1542CLDN主要應(yīng)用于工控機(jī)領(lǐng)域。工控機(jī)(IPC，也稱產(chǎn)業(yè)電腦、工業(yè)計(jì)算機(jī)、產(chǎn)業(yè)計(jì)算機(jī))是一種具有特殊性能的高可靠性計(jì)算機(jī)，能夠充分滿足現(xiàn)代商業(yè)和企業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行持續(xù)可用性的嚴(yán)格要求。作為一種具備特殊性能的計(jì)算機(jī)，工控機(jī)(IPC)能夠在苛刻的外界環(huán)境下連續(xù)長時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)行，他應(yīng)傳統(tǒng)工業(yè)中過程控制與制造自動(dòng)化對(duì)計(jì)算機(jī)高適應(yīng)性和高可靠性的特殊需求而產(chǎn)生。最初，IPC主要應(yīng)用于專業(yè)的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域。由于IPC具有抗惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)擴(kuò)充性能好、電壓適用范圍寬、各種I／O設(shè)備配套齊全以及他對(duì)普通PC軟件的完全兼容性等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得他的應(yīng)用廣泛性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通PC。

　　根據(jù)此板的CPU結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)，選用CS5530AI／O接口芯片和CS9211顯示芯片做了相應(yīng)的LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以廣泛應(yīng)用在基于單板計(jì)算機(jī)控制的嵌入式系統(tǒng)中。

1 CPU介紹

　　系統(tǒng)所用的CPU是美國國家半導(dǎo)體GXl微處理器，是低功耗的全x86結(jié)構(gòu)。主要用于信息家電、機(jī)頂盒、個(gè)人網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)NS Geode GXl處理器內(nèi)核工作電壓，可以分為3大類：2.0 V，1.8 V和1.6 V。他最典型的特點(diǎn)就是低功耗，這一特點(diǎn)利于小型、無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)。I／O接口電源為3.3 V。采用靜電防護(hù)設(shè)計(jì)。最高運(yùn)行速率可以達(dá)300 Hz。統(tǒng)一的內(nèi)存結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：幀緩沖器和視頻存儲(chǔ)駐留在主內(nèi)存區(qū)。他可以與多種NS提供的GeodeI／O設(shè)備相兼容。支持大多數(shù)操作系統(tǒng)：Microsoft’s Windows 2000，Windows 95，Windows 98，和Windows NT；Windows CE；VxWorks；QNX；Linux等。

2 CS5530A輸入／輸出系統(tǒng)芯片組

2.1 處理器支持

　　在CS5530A輸入輸出芯片組里包含的傳統(tǒng)的南橋功能，已經(jīng)被設(shè)計(jì)來支持NS GXl處理器。他在標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線和系統(tǒng)ROM之間提供一種橋梁的作用。

2.2 顯示子系統(tǒng)擴(kuò)展

　　他包括幾個(gè)模塊

　　視頻加速器：來自處理器的YUV視頻數(shù)據(jù)格式和緩沖；8位與處理器的接口；YUV到RGB的顏色轉(zhuǎn)換；伽瑪RAM用于亮度和對(duì)比度的調(diào)整。

2.3 時(shí)鐘產(chǎn)生

　　在以CS5530A／GX系列為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，CS5530A只產(chǎn)生2個(gè)時(shí)鐘：CPU的DOT時(shí)鐘(DCLK)和ISA時(shí)鐘。所有的其他的時(shí)鐘都由外部時(shí)鐘芯片產(chǎn)生。ISACLK通過分離PCICLK產(chǎn)生，他在正常情況下，運(yùn)行8.33 MHz或更少。DCLK由14.318 18 MHz(CLK_14 MHz)的輸入時(shí)鐘產(chǎn)生。

　　用32位的x86處理，以GXl處理器和CS5530輸入輸出芯片為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，具有很高的性能。這兩個(gè)芯片集成的視頻、音頻和內(nèi)存接口功能，外部硬件可以正常地實(shí)現(xiàn)這些功能。CS5530芯片支持GXl處理器的所有的MMX(多媒體增強(qiáng)指令集)功能。這些功能包括：VGA和VESA視頻，16位立體聲，IDE接口，ISA接口，SMM(系統(tǒng)管理模式)電源管理，以及IBM的AT兼容邏輯等。

3 CS9211顯示芯片

　　同CS5530A一樣，CS9211也是屬于GEODE產(chǎn)品系列，與美國國家半導(dǎo)體的GX系列(GXI，GXLV，GXm)相匹配。從CS5530A輸出的數(shù)字像素流，通過CS9211轉(zhuǎn)化成數(shù)字RGB輸入到標(biāo)準(zhǔn)SFN／DSTN LCD顯示屏中。支持單色和彩色的DSTN型LCD，最高分辨率達(dá)到1 024×768，而對(duì)于彩色STN型LCD，則分辨率達(dá)到640×480。并且要注意的是，只有在用DSTN型LCD時(shí)，外部幀緩沖器是需要的。

　　CS9211直接與顯示屏相連接，可支持以6：6：6格式的18位顏色像素輸入數(shù)據(jù)流；支持達(dá)到65 MHz的像素時(shí)鐘(DOTCLK)。對(duì)于DSTN顯示屏，其刷新頻率可達(dá)到120 Hz。對(duì)于輸入／輸出的同步脈沖寬度、延時(shí)和極性都是可編程的，以適應(yīng)許多不同類型的顯示屏。顯示屏的電源序列是可以編程來控制的。內(nèi)嵌內(nèi)存控制器支持SDRAM或者EDO存儲(chǔ)，以滿足DSTN的幀緩沖。所用的電源是3.3 V低電源。

4 LCD顯示器

　　LCD是一種被動(dòng)顯示技術(shù)，他本身不發(fā)光，利用反射光顯示字符和圖形。LCD的功耗非常低，于是在低功耗的場(chǎng)合特別是電池供電的嵌入式設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。LCD通常使用自然光，反射自然光進(jìn)行顯示，如果周圍的光很少或沒有光，需要在LCD的后面放置一個(gè)光源，這個(gè)光源叫背光。通常，LCD只是一個(gè)顯示器，使用時(shí)需要配合驅(qū)動(dòng)器和控制器。

　　LCD顯示器包括字符LCD顯示器、圖形LCD顯示器和定制LCD顯示器。對(duì)于圖形LCD顯示器又包括黑白、灰度、彩色3種。LCD按顯示原理分為STN和TFT兩種。單色及灰度顯示屏都是STN(超扭曲向列)LCD；TFT(薄膜晶體管)為彩色顯示屏。

5 硬件顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上述3芯片的特點(diǎn)，做了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其基本設(shè)計(jì)原理是：GXl處理器的顯示控制器接口與CS5530A輸人輸出接口芯片相連。CS5530A芯片輸出的數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)流，經(jīng)過CS9211芯片后，轉(zhuǎn)換成STN液晶顯示屏顯示的RGB輸入數(shù)據(jù)。要注意的是，若所用的是DSTN LCD，則還需要DRAM／SDRAM作為外部幀緩沖存儲(chǔ)器。時(shí)間和電源時(shí)序控制信號(hào)從CS5530A被傳送到CS9211中。CS9211芯片與LCD屏之間只有電源控制信號(hào)、定時(shí)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)3組。電源控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示屏的背光照明、主電源和對(duì)比度電壓。定時(shí)信號(hào)包括水平、垂直同步信號(hào)，幀同步、行同步信號(hào)等，對(duì)不同的顯示屏其定義不同。從CS9211中輸出24位的LCD顯示數(shù)據(jù)，被分成兩個(gè)12位數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)格式依據(jù)所連的LCD屏，由偏移量404h[21：16]決定屏的類型和顯示模式。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)的具體引腳圖如圖2與圖3所示。這里對(duì)主要引腳做說明：

SYSCLK：系統(tǒng)時(shí)鐘；PSERIAL：電源管理串行接口；DCLK：產(chǎn)生圖形顯示系統(tǒng)的時(shí)鐘，由CPU產(chǎn)生(10～200 MHz)；PIXEL：像素?cái)?shù)據(jù)接口；FP_HSYNC：LCD水平同步輸入；FP_VSYNC：LCD垂直同步信號(hào)輸入；ENA_DISP：顯示使能；VID_VAL：表示視頻數(shù)據(jù)已出現(xiàn)在VID_DATA輸入口；VID_CLK：視頻顯示時(shí)鐘；VID_DATA[7：0]：YUV4：2：2格式或RGB5：6：5格式；VID_RDY：表示CS5530A已準(zhǔn)備好接收VID_DATA口的數(shù)據(jù)了；INTR：CPU中斷請(qǐng)求。FP_ENA_BKL：LCD的背光源輸出；FP_ENA_VDD：LCD的電源；FP_DISP_OUT：LCD輸出使能；FP_CLK：LCD時(shí)鐘；FP_DATA[5：0]，F(xiàn)P_DATA[11：6]，F(xiàn)P_DATA[17：12]：LCD數(shù)據(jù)口，可以接到DSTN格式芯片，LVDS轉(zhuǎn)換器或數(shù)字NTSC／PAL解碼器。

DISPOFF#：關(guān)閉背光源，注意這一信號(hào)是低電平有效；FP_VDDEN：控制LCD的電源；FP_VCONEN：控制LCD的偏置電壓；LP／HSYNC：數(shù)據(jù)行顯示開始；FLM／VSYNC：數(shù)據(jù)幀顯示開始；SHFCLK：LCD時(shí)鐘；LDE／MOD：TFT顯示使能；UD[11：0]，LD[11；0]：數(shù)據(jù)掃描，這里的掃描可以根據(jù)要求分別對(duì)高位或低位的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描。

6 軟件設(shè)計(jì)流程及驅(qū)動(dòng)程序

　　使用液晶屏顯示基本的是像素控制數(shù)據(jù)的使用。像素控制數(shù)據(jù)的存放與傳送形式?jīng)Q定了顯示的效果。這是顯示控制的基本程序設(shè)計(jì)思想。由于此設(shè)計(jì)的軟件編程比較復(fù)雜，限于篇幅，在此只列出了實(shí)現(xiàn)LCD驅(qū)動(dòng)的程序流程圖，如圖4所示。

7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)論

　　本顯示系統(tǒng)，全采用的是美國國家半導(dǎo)體公司的芯片，系統(tǒng)的兼容性好，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)更加可靠，同時(shí)整體性移植更容易。具有廣泛的應(yīng)用性和實(shí)用價(jià)值。