基于DSP的彩色TFT-LCD數(shù)字圖像顯示技術(shù)研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式圖像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于辦公設(shè)備、制造和流程設(shè)計(jì)、醫(yī)療、監(jiān)控、衛(wèi)生設(shè)備、交通運(yùn)輸、通信、金融銀行系統(tǒng)和各種信息家電中。所謂嵌入式圖像系統(tǒng)，指以圖像應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件、硬件可裁減，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式圖像系統(tǒng)對圖像顯示技術(shù)提出了各種嚴(yán)格要求，必須選擇合適的顯示器，設(shè)計(jì)出合理的顯示控制方法。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要構(gòu)建一個(gè)嵌入式、高速、低功耗、低成本的圖像顯示硬件平臺，要求能真彩顯示靜態(tài)或動(dòng)態(tài)彩色圖像。為達(dá)到真彩和無拖影的顯示動(dòng)態(tài)圖像，同時(shí)兼顧低功耗的要求，采用SHARP(夏普)公司的LQ057Q3DC02彩色TFT-LCD作為顯示器；為了能達(dá)到實(shí)時(shí)圖像處理和顯示，采用德州儀器(TI)公司高性能DSP TMS320C6711作為主處理器；DSP與TFT-LCD之間的數(shù)據(jù)接口以及TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)控制由CPLD ispMACH4064V和高速大容量FIFO AL422B完成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1 TFT-LCD驅(qū)動(dòng)控制硬件設(shè)計(jì)

由圖1和圖2可知，CPLD驅(qū)動(dòng)控制TFT-LCD顯示圖像，要產(chǎn)生三個(gè)時(shí)鐘信號：數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘(CLK)、行同步時(shí)鐘(Hsync)和幀同步時(shí)鐘(Vsync)，并通過18位并行數(shù)據(jù)總線(R0～R5，G0～G5，B0～B5)，與時(shí)鐘信號同步寫入待顯示的圖像數(shù)據(jù)(D0～D17)。

圖2 LQ057Q3DC02內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

CPLD驅(qū)動(dòng)控制TFT-LCD的硬件電路如圖3所示。

2 存儲器設(shè)計(jì)

為了盡少占用CPU資源，使CPU有更多的時(shí)間進(jìn)行圖像采集和處理，在CPU輸出圖像到TFT-LCD顯示器的過程中間要進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖存儲。CPU定期將數(shù)據(jù)高速輸出到緩存，顯示平臺再根據(jù)TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。CPU輸出數(shù)據(jù)的速度大于顯示平臺的讀取速度，對緩存來說是一個(gè)高速寫入、慢速讀出的過程。CPU以40ms為周期定期輸出數(shù)據(jù)，而顯示平臺是連續(xù)不斷的讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的，因此緩存的寫入和讀出過程是并發(fā)進(jìn)行的。

圖3 CPLD驅(qū)動(dòng)控制TFT-LCD硬件電路圖

本系統(tǒng)采用AVERLOGIC公司的基于DRAM的大容量FIFO AL422B作為高速緩沖存儲器。AL422B工作電壓3.3V，可承受5V信號電壓，最高訪問速度為50MHz，容量為384Kb，而系統(tǒng)要顯示的圖像每幀有225Kb，因此AL422B可以很好的滿足高速、大容量和低成本的系統(tǒng)要求。AL422B沒有空、半滿和全滿等狀態(tài)標(biāo)志，個(gè)弱點(diǎn)給系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和控制帶來一定難度。

AL422B是同步FIFO，有讀時(shí)鐘(RCK)和寫時(shí)鐘(WCK)兩路時(shí)鐘信號。AL422B采用DRAM為存儲介質(zhì)，需要定時(shí)刷新片內(nèi)數(shù)據(jù)。芯片自動(dòng)選擇頻率較高的時(shí)鐘信號作為DRAM的刷新時(shí)鐘，要求器件工作時(shí)至少要有一路時(shí)鐘信號的頻率不能低于1MHz。AL422B的功能框圖如圖4所示。

圖4 AL422B功能框圖

3 DSP接口設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理指的是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對外部輸入的數(shù)字圖像完成指定的處理，從圖像輸入到處理完畢輸出結(jié)果的時(shí)間延遲要小于圖像數(shù)據(jù)的更新速率。若對一個(gè)每幀320×240×18位，25f/s的圖像信號，其數(shù)據(jù)率為 5.5Mb/s，為達(dá)到實(shí)時(shí)性，處理器的處理速率就必須大于5.5Mb/s，即系統(tǒng)在40ms內(nèi)完成對一幀圖像的所有操作，包括圖像采集、存儲、傳輸、處理和顯示等。圖像采集速率由圖像傳感器例如CCD決定，而圖像數(shù)據(jù)的存儲、傳輸、處理和顯示都是取決于CPU的性能。一般器件不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)要求，因此本系統(tǒng)采用TI(美德州儀器)公司高性能通用DSPTMS320C6711作為系統(tǒng)的主CPU。

4 CPLD設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用ispMACH4064V(簡稱4064V)作為顯示平臺的主控邏輯器件。4064V是一款工作在3.3V的新一帶CPLD芯片，I/O口兼容5V TTL電平，主要性能數(shù)如表1所示。

ispMACH4064V是實(shí)現(xiàn)TFT-LCD、FIFO和DSP的EMIF口三個(gè)器件邏輯功能時(shí)序的核心器件，為了實(shí)現(xiàn)各時(shí)序之間的嚴(yán)格同步，使用一個(gè)外部時(shí)鐘參考源輸入到ispMACH4064V，ispMACH4064V內(nèi)部所有的信號都是以這個(gè)時(shí)鐘為基準(zhǔn)的。

系統(tǒng)總流程

TFT-LCD彩色數(shù)字圖像顯示平臺的三個(gè)關(guān)鍵器件，分別是DSP、FIFO和CPLD。DSP通過EMIF口定期將圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO；CPLD并行的不斷讀取FIFO內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)TFT-LCD顯示動(dòng)態(tài)或靜態(tài)彩色數(shù)字圖像。DSP寫FIFO的速度高達(dá)25MHz，TFT-LCD刷新時(shí)鐘為6MHz，CPLD讀FIFO的速度應(yīng)大于3倍的TFT-LCD刷新時(shí)鐘，取24MHz。各器件之間的時(shí)序必須嚴(yán)格匹配，才能正常顯示圖像。本系統(tǒng)使用Lattice公司的CPLD ispMACH4064V，產(chǎn)生TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序和FIFO的讀時(shí)序，并配合DSP的EMIF口形成FIFO的寫時(shí)序。系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)是數(shù)字圖像顯示技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，也是最困難的部分。

系統(tǒng)上電后復(fù)位CPLD、FIFO和TFT-LCD，DSP定時(shí)向FIFO寫入圖像數(shù)據(jù)，CPLD并行的讀FIFO，同時(shí)驅(qū)動(dòng)TFT-LCD逐像素顯示圖像，系統(tǒng)總流程如圖6所示。

圖6系統(tǒng)總流程圖

本系統(tǒng)采用VHDL語言對CPLD要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行行為描述，用Synthesis軟件對VHDL源代碼進(jìn)行語法檢查和邏輯綜合后，在ispLEVER3.0環(huán)境下對ispMACH4064V進(jìn)行功能仿真、時(shí)序仿真、引腳I/O設(shè)置和分配，最后將生成的JEDEC文件用下載電纜寫入CPLD，生成實(shí)際的數(shù)字邏輯。

基于圖像處理系統(tǒng)的性能分析

圖像處理完畢后，需要顯示給進(jìn)行觀察和評價(jià)。人的視覺系統(tǒng)對色彩非常敏感，圖像顯示的色彩必須達(dá)到或超過人的分辨能力，才不致于丟失有用的圖像信息。圖像處理系統(tǒng)的圖像顯示必須達(dá)到真彩(18位色)顯示。為達(dá)到嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，圖像顯示模塊要盡少占用DSP資源，同時(shí)真彩顯示意味著更大的數(shù)據(jù)吞吐量，這些都要求圖像顯示模塊要有更快的處理速度。

本系統(tǒng)中，一幀圖像共有320×240×3＝225Kb，DSP采用8位異步模式以25Mb/s的速率向FIFOAL422B寫入圖像數(shù)據(jù)，寫一幀圖像需9ms。若DSP以40ms為間隔刷新AL422B的圖像數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)平滑動(dòng)態(tài)顯示真彩數(shù)字圖像。這樣的數(shù)據(jù)吞吐速度可以很好地滿足實(shí)時(shí)性要求。

與市場同類產(chǎn)品的比較：國內(nèi)外市場上控制彩色TFT-LCD一般采用ARM等帶TFT-LCD接口的MCU，或直接使用專用IC，甚至使用工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)，這些方案都難以滿足嵌入式系統(tǒng)對成本和功耗的要求。國內(nèi)市場上，有少數(shù)幾家公司采用可編程器件+存儲器的技術(shù)開發(fā)出實(shí)用產(chǎn)品，大部分采用SRAM作為圖像數(shù)據(jù)存儲器。由于要進(jìn)行復(fù)雜的讀寫端口切換，這類產(chǎn)品一般采用高檔可編程器件，同時(shí)降低圖像顯示品質(zhì)，無法真彩顯示，無法平滑地顯示動(dòng)態(tài)圖像。而本課題實(shí)現(xiàn)了18位真彩顯示，每秒25幀圖像，動(dòng)態(tài)圖像可以平滑地顯示，而且成本只有40元人民幣，大大提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。

結(jié)語

本文提出了一種基于DSP的彩色TFT-LCD數(shù)字圖像顯示解決方案，采用高性能DSP和基于DRAM的新型大容量FIFO存儲器，用CPLD實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)TFT-LCD以及與DSP數(shù)據(jù)接口的所有時(shí)序。與市場上同類產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)大大提高了圖像顯示品質(zhì)和顯示速度，降低了系統(tǒng)的功耗和成本，在嵌入式圖像系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。