基于S3C2410的TFT-LCD驅(qū)動(dòng)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(kāi)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?xún)r(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(tái)的液晶顯示系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)可以滿(mǎn)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(dòng)電路。本文設(shè)計(jì)了LTS350Q1-PE1的硬件驅(qū)動(dòng)電路，將S3C2410的LCD控制器和TFT-LCD結(jié)合起來(lái)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(dòng)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(hào)和RGB數(shù)據(jù)信號(hào)，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(tái)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(dòng)電路設(shè)計(jì)
    TFT-LCD驅(qū)動(dòng)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(hào)的電路以及為了看到顯示畫(huà)面而設(shè)計(jì)的背光驅(qū)動(dòng)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(kāi)啟/關(guān)閉。當(dāng)TFT開(kāi)啟時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)源極驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(jiàn)表1。

    本系統(tǒng)通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(mǎn)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(hào)液晶屏提供時(shí)序信號(hào)通常采用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)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(duì)電路進(jìn)行靈活配置的情況下才使用。用來(lái)匹配時(shí)序信號(hào)的專(zhuān)用芯片是經(jīng)過(guò)測(cè)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(chēng)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(hào)產(chǎn)生電路

背光驅(qū)動(dòng)電路
    為了能夠看到液晶屏上顯示的畫(huà)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(zhuān)用的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)3組并聯(lián)的LED，現(xiàn)將3個(gè)反饋回路短接，用于驅(qū)動(dòng)6個(gè)白色LED背光燈，可以提供更大的驅(qū)動(dòng)電流，電路設(shè)計(jì)有過(guò)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(guò)MP1521第5引腳上的電壓來(lái)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(dòng)電路

灰度電壓產(chǎn)生電路
    源極驅(qū)動(dòng)器根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)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(dòng)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(hào)說(shuō)明
    S3C2410 LCD控制器用來(lái)傳輸圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，該控制器由REGBANK(控制寄存器組)、LCDCDMA(專(zhuān)用DMA)、VIDPCS(視頻信號(hào)處理單元)、LPC3600和TIMEGEN(時(shí)序信號(hào)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(chǔ)器，用來(lái)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(hào)的快速傳輸通道，自動(dòng)通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)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(hào)處理單元；VIDPCS將專(zhuān)用DMA中取出的信號(hào)進(jìn)行整形并提高驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)主要包括VCLK(像點(diǎn)時(shí)鐘)、VDEN(數(shù)據(jù)有效信號(hào))、VSYNC(垂直同步信號(hào))、HSYNC(水平同步信號(hào))、LEND(行結(jié)束信號(hào))及LCD_PWREN(液晶屏使能信號(hào))。VCLK信號(hào)是LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器的像素時(shí)鐘信號(hào)， LCD控制器在VCLK信號(hào)的上升沿處將數(shù)據(jù)送出，在VCLK信號(hào)的下降沿處被LCD控制器采樣；VSYNC信號(hào)是垂直同步信號(hào)(也稱(chēng)幀同步信號(hào))，用來(lái)指示新的一幀圖像的開(kāi)始；HSYNC信號(hào)是水平同步信號(hào)(或行同步信號(hào))，用來(lái)給出新的一行掃描信號(hào)的開(kāi)始；VDEN信號(hào)是數(shù)據(jù)使能信號(hào)；LEND信號(hào)是行掃描結(jié)束信號(hào)，LCD驅(qū)動(dòng)器在每掃描一行像素后給出該信號(hào)；LCD_PWREN信號(hào)用來(lái)控制LCD控制器的開(kāi)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(shuō)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(hào)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(dòng)器需要LCD控制器給出VCLK、VDEN、LCD_PWREN和VD[23:0]信號(hào)，其中VCLK信號(hào)依賴(lài)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(lài)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(cè)試結(jié)果
    在軟硬件研制開(kāi)發(fā)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，圖6是PCB板的地面元件布局圖，測(cè)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(dòng)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(hào)和RGB數(shù)據(jù)信號(hào)，因此，為移植到不同的平臺(tái)帶來(lái)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