彩色液晶顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高性能嵌入式便攜設(shè)備的普及對(duì)嵌入式顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的要求：高性能、低功耗、體積小、可移植性好和能工作在各種光照環(huán)境下。本文設(shè)計(jì)的嵌入式顯示系統(tǒng)為這類便攜設(shè)備的顯示系統(tǒng)開發(fā)提供了一種解決方案，不但滿足了高端嵌入式設(shè)備所需要的高性能，而且在高亮度顯示條件下能維持低功耗，適用于高檔PDA、便攜媒體播放器、手持式導(dǎo)航儀、便攜醫(yī)療和測(cè)試設(shè)備等領(lǐng)域。

主要器件的恰當(dāng)選擇是實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵，本文選用的嵌入式微處理器三星S3C2440A（同時(shí)也是本顯示系統(tǒng)的LCD控制器）主要面向高端嵌入式設(shè)備，它采用ARM920T內(nèi)核，最高工作頻率達(dá)533MHz，內(nèi)含3通道的異步串行口、SDRAM控制器、I2C總線接口、USB主、從單元設(shè)備接口、攝像頭接口、AC97音頻編解碼接口、觸摸屏接口和LCD控制器等眾多片上外設(shè)，低功耗，性價(jià)比高。另外，夏普公司3.5英寸透反射式TFT-LCD LQ035Q7DH01采用了Advanced-TFT技術(shù)，它利用互連薄膜晶體管的導(dǎo)電跡線的金屬敷膜作為反射器，通過LCD矩陣返回入射光，提高了強(qiáng)環(huán)境光下的亮度同時(shí)又能保持較低的功耗；在明亮場(chǎng)所時(shí)具備 HR-TFT（高反射液晶）功能，而在暗淡環(huán)境下又具備內(nèi)置背燈的透過型液晶功能，能在強(qiáng)烈的陽(yáng)光和全黑的環(huán)境下工作。其屏幕分辨率為320×240，用18位數(shù)據(jù)信號(hào)能顯示262144種色彩。

由于嵌入式Linux具有良好的穩(wěn)定性和平臺(tái)可移植性，同時(shí)又開放原代碼，成本低廉，本文選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)環(huán)境采用Linux 2.4.20平臺(tái)，交叉編譯器為arm-linux-gcc 2.95.3，完成了對(duì)LQ035Q7DH01顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。

顯示系統(tǒng)硬件電路

1 LCD控制器電路

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(hào)，S3C2440A LCD控制器能支持高達(dá)4K色STN屏和256K色TFT屏，支持1024×768分辨率下的各種液晶屏，具有LCD專用DMA。S3C2440A產(chǎn)生的控制信號(hào)主要有幀同步信號(hào)VFRAME、行同步信號(hào)VLINE、像素時(shí)鐘信號(hào)VCLK和數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)VM。S3C2440A有VD[0:23]共24根RGB數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)格式不同，接線方式就不同，本文用的是RGB565方式。控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)序如圖1所示，LCD控制器電路如圖2所示。

圖1  LCD控制器時(shí)序圖

圖2  LCD控制器電路

2 時(shí)序和數(shù)據(jù)匹配電路

由于S3C2440A的LCD控制器與LCD屏LQ035Q7DH01在數(shù)據(jù)格式及顯示時(shí)序上無法匹配，需要選用一種時(shí)序控制IC或者用CPLD來對(duì)不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行映射。由于CPLD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。本文時(shí)序控制IC選用夏普公司的LZ9FC22，該芯片體積小、性能穩(wěn)定、專用于QVGA屏幕TFT-LCD。這是一個(gè)18位（R6G6B6）的控制器，由于本文采用的是RGB565 16位工作模式，所以將芯片輸入引腳R0和B0接地。引腳SIZE用于選擇LCD屏幕類型，接低電平時(shí)為320×240型屏幕。接高電平時(shí)為240×320型屏幕，本文LCD為240×320型屏幕，所以該引腳接高電平。引腳VRVE用于選擇LCD幀掃描方向，接低電平時(shí)掃描方向從上到下，接高電平時(shí)則相反，引腳HRVE用于選擇LCD行掃描方向，接低電平時(shí)掃描方向從右到左，接高電平時(shí)則相反。為了方便不同用戶使用時(shí)能根據(jù)各自需求靈活配置，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)LCD掃描方向配置電路，如圖3所示。兩對(duì)電阻R32、R34和R33、R35每對(duì)根據(jù)需要各選擇一個(gè)接入電路，從而設(shè)定引腳VRVE和HRVE的高低電平。如欲配置LCD幀掃描方向從上到下，則引腳VRVE應(yīng)為低電平，此時(shí)電路中只需接入電阻R35，電阻R33不用接入；如欲配置LCD幀掃描方向從下到上，則引腳VRVE應(yīng)為高電平，此時(shí)電路中只需接入電阻R33，電阻R35不用接入，LCD行掃描方向的配置與之類似。本文LCD采用從上到下，從左到右的掃描方向，所以將電阻R32和R35接入電路中而R33和R34位置處為空。

圖3  時(shí)序和數(shù)據(jù)匹配電路

3 多路電壓產(chǎn)生電路

LCD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(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LCD的開啟電壓、關(guān)閉電壓，以及加到公共電極上的電壓。

本文采用松下公司生產(chǎn)的低壓差電壓線性調(diào)節(jié)器LM1117DT-3.3芯片來產(chǎn)生時(shí)序控制IC和LCD所需要的數(shù)字電壓。采用美國(guó)MAXIM公司推出的有源矩陣液晶顯示器電源芯片MAX1664來產(chǎn)生其他電壓，兩芯片所需的+5V輸入電壓由220V交流經(jīng)一個(gè)AC/DC開關(guān)電源變換后提供。MAX1664內(nèi)部集成有兩個(gè)DC-DC變換器，其中DC-DC1提供從輸入電壓值到+5.5V范圍的輸出電壓，DC-DC2為正負(fù)電壓雙路輸出,一路可提供從輸入電壓值到+28V的輸出電壓，另一路可提供0～-10V的輸出電壓。對(duì)于LQ035Q7DH01這樣的小型TFT LCD，MAX1664能為其提供高效的調(diào)節(jié)電壓。另外，MAX1664是一種高功率開關(guān)電源，要注意供電電源電路的連接和旁路電容的連接，芯片旁路端IN和INP之間用一只33Ω的電阻隔離，如圖4所示。圖4中的D4～D6應(yīng)采用高速的肖特基二極管，同時(shí)由于電感的直流等效電阻對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響較大, L3～L4應(yīng)選用等效電阻低的電感, 為減小噪聲輻射,應(yīng)選用屏蔽電感。電路板的布線要細(xì)心操作，接地點(diǎn)的連線要小心處理，否則將影響各輸出電壓的穩(wěn)定。

圖4  多路電壓產(chǎn)生電路

4 顯示系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

LCD控制器首先從存儲(chǔ)器SDRAM的顯示緩沖區(qū)中讀出圖像數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成RGB565的數(shù)據(jù)格式，然后將數(shù)據(jù)信號(hào)和LCD控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)一并送入時(shí)序控制IC LZ9FC22，時(shí)序控制IC將數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成與LCD相匹配的格式后送入LCD，最后LCD將圖像顯示到屏幕上。這里需要注意的是，在電路板布線時(shí)，LCD控制器到LCD屏的連線距離不可過長(zhǎng)，最好不好超過50cm，否則容易出現(xiàn)顯示錯(cuò)誤。顯示系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5  顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的嵌入式顯示系統(tǒng)，顯示亮度達(dá)100尼特，在LCD高亮度的情況下模塊的功耗小于365mW,克服了一般TFT-LCD高亮度伴隨著高功耗的矛盾，同時(shí)由于設(shè)計(jì)的硬件驅(qū)動(dòng)電路只需LCD控制器給出幀同步信號(hào)、行同步信號(hào)、像素時(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)帶來了較大的靈活性，實(shí)用性很強(qiáng)。