基于ARM與WindowsCE的LCD顯示器設(shè)計(jì)

時(shí)間：2009-03-23 22:53:58

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[導(dǎo)讀]基于ARM與WindowsCE的LCD顯示器設(shè)計(jì)

1 引言

隨著電子信息技術(shù)不斷發(fā)展, 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在嵌入式電子測(cè)量系統(tǒng)中, LCD（Liquid Crystal Display,液晶顯示器）作為人機(jī)交互的主要設(shè)備,具有功耗低、外形尺寸小和優(yōu)越的字符和圖形顯示功能。WindowsCE是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它友好的圖形界面，成為嵌入式開發(fā)的主流操作系統(tǒng)，它使用圖形設(shè)備接口（GDI）來(lái)處理程序的圖形輸出，利用GDI所提供的眾多函數(shù)可方便地在LCD屏幕上輸出圖形和文本[1]。

基于嵌入式處理器IntelPXA270和WindowsCE設(shè)計(jì)LCD系統(tǒng)的原理，為嵌入式便攜設(shè)備提供了一種在高亮度顯示條件下維持低功耗的解決方案，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，下文將介紹中國(guó)航空工業(yè)第608研究所新開發(fā)的鐵路機(jī)車故障診斷車載裝置LCD設(shè)備的主要設(shè)計(jì)原理。

2 基于IntelPXA270的LCD硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于ARM處理核的IntelPXA270處理器, 64MB的SDRAM，M-System的DOC(Disk On Chip)H3芯片作為存儲(chǔ)系統(tǒng)，外接16位的800×480的TFT顯示屏。

2.1 ARM處理器IntelPXA270及其LCD控制

IntelPXA270是Intel公司推出的基于ARM微處理核的嵌入式處理器，主頻最高可達(dá)624MHz，IntelPXA270加入了Wireless MMX技術(shù)，大大提升了多媒體處理能力；同時(shí)還加入了Intel SpeedStep動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù),在保證CPU性能的情況下,最大限度地降低了設(shè)備功耗。

IntelPXA270內(nèi)置的LCD控制器為IntelPXA270處理器和平板顯示器提供了一個(gè)接口，它所支持的平板顯示器包括被動(dòng)的DSTN液晶屏、主動(dòng)的TFT液晶屏以及帶有內(nèi)部幀緩沖區(qū)的液晶屏，中國(guó)航空工業(yè)第608研究所新開發(fā)的鐵路機(jī)車故障診斷車載裝置LCD設(shè)備使用的是TFT液晶屏。

LCD控制器用于傳輸顯示數(shù)據(jù)并產(chǎn)生必要的控制信號(hào)，表1[2]是IntelPXA270內(nèi)置的LCD控制器的控制信號(hào)：

表1 LCD控制器的控制信號(hào)

IntelPXA270內(nèi)置的LCD控制器支持多種顯示模式，其中包括了像素的數(shù)據(jù)格式，顯示屏的大小、掃描方式

、顏色模式等。IntelPXA270 LCD控制器內(nèi)部帶有很多寄存器，用于針對(duì)不同的液晶屏和不同的顯示模式

進(jìn)行配置。LCD控制器帶有專用的DMA，它可以自動(dòng)地將顯示數(shù)據(jù)從幀內(nèi)存?zhèn)魉偷絃CD驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)專用DMA

，可以在不需要CPU介入的情況下顯示數(shù)據(jù)。

2.2 TFT LCD液晶屏

TFT LCD是FG070053DSSWJGT1顯示屏，顯示屏大小為7寸，分辨率為800×480，其內(nèi)部集成了輸入

控制單元、TFT顯示模塊，掃描驅(qū)動(dòng)IC，背光燈，DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)IC等,圖1為

FG070053DSSWJGT1顯示屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 TFT內(nèi)部功能及接口

TFT LCD顯示屏要求的時(shí)序由幀同步（VSYNC）、行同步（HSYSNC）、比特時(shí)鐘（DCLK）及數(shù)據(jù)（Data[0：15]）構(gòu)成，幀同步和行同步指示每一幀和每一行的開始，如圖2所示。

圖2 TFT LCD時(shí)序圖

2.3 TFT屏的顯示接口電路[!--empirenews.page--]

結(jié)合IntelPXA270內(nèi)置的LCD控制器和FG070053DSSWJGT1液晶屏的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及時(shí)序圖的分析，設(shè)計(jì)LCD顯示接口電路，主要是把IntelPXA270的控制信號(hào)與LCD屏的控制引腳連接起來(lái)，如圖3所示。通過(guò)16位數(shù)據(jù)線把LCD控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送腳與FG070053DSSWJGT1的數(shù)據(jù)接收腳連接起來(lái)，即把（R0—R4，G0—G5，B0—B4）與L_DD0-L_DD15連接起來(lái)；把幀時(shí)鐘，行時(shí)鐘，像素時(shí)鐘等與LCD屏連接； ADJ采用電壓為0—3.0V、頻率為20KHZ的PWM脈沖，調(diào)節(jié)液晶屏背光燈的亮度，在滿足用戶要求的同時(shí)還可有效地控制功耗。圖3中，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)LCLK是行時(shí)鐘控制信號(hào)，F(xiàn)CLK是幀時(shí)鐘控制信號(hào)，PCLK是像素時(shí)鐘控制信號(hào)，OE為數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)。VDD由直流5V穩(wěn)壓電源提供，U/D通過(guò)電阻拉低后對(duì)屏幕提供上下翻轉(zhuǎn)信號(hào)，L/R支持屏幕左右翻轉(zhuǎn)控制。

圖3 TFT LCD接口電路

3 LCD顯示程序的設(shè)計(jì)

在WindowsCE下LCD驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)使用基本圖形引擎（GPE）類來(lái)實(shí)現(xiàn)[1] [5]。在使用GPE類編寫驅(qū)動(dòng)程序之前，首先分析使用GPE類編寫顯示驅(qū)動(dòng)時(shí)對(duì)顯示設(shè)備的要求，內(nèi)存布局要求顯示設(shè)備使用線性幀緩沖區(qū)，全部的顯示內(nèi)存是連續(xù)的；接下來(lái)分析GPE類對(duì)內(nèi)存中數(shù)據(jù)格式的要求。LCD屏是自頂向下的格式，像素（0，0）在左上角，像素（width-1,height-1）在右下角。幀緩沖區(qū)的步幅，即表示顯示設(shè)備上一個(gè)掃描行在內(nèi)存中占的字節(jié)數(shù)，應(yīng)當(dāng)是四字節(jié)的整數(shù)倍，即使在每個(gè)掃描行的末尾填充一些無(wú)用的字節(jié)，CPU不需做“排”選擇也可以存取整個(gè)幀緩沖區(qū)，幀緩沖區(qū)不應(yīng)當(dāng)使用位面（位面就是每種顏色信道<RGB>在幀緩沖區(qū)進(jìn)行分開存儲(chǔ)）。

使用IntelPXA270 內(nèi)置的LCD控制器，集成了7個(gè)通道的DMA，支持像素深度分別為2、4、8、16、18、24位的RGB模式，采用16位RGB模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖像數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，使用DMA方式進(jìn)行幀數(shù)據(jù)存取，幀的大小及幀地址是指定的，可以滿足GPE類的線性幀緩沖區(qū)的要求，LCD控制與LCD屏都滿足WindowsCE 下使用GPE類來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動(dòng)的硬件要求。

3.1 創(chuàng)建基于GPE類的顯示驅(qū)動(dòng)程序

使用GPE類簡(jiǎn)化了WindowsCE顯示設(shè)備的開發(fā)工作，GPE類代表一個(gè)顯示設(shè)備，是一個(gè)純虛的類，設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動(dòng)時(shí)必須繼承這個(gè)基本GPE類。

首先定義一個(gè)新的類（class SA2Video）來(lái)繼承GPE類，根據(jù)GPE類的要求，實(shí)現(xiàn)以下函數(shù)：

NumModes ------返回顯示驅(qū)動(dòng)所支持的顯示模式。
GetModeInfo ------返回指定顯示模式的信息，如顯示像素寬度和深度，處理由NumModes()函數(shù)返回的顯示模式，當(dāng)SetModes()函數(shù)被調(diào)用時(shí)，總是返回在模式配置列表中的第一個(gè)模式值。
SetModes ------設(shè)置顯示模式。
AllocSurface------分配一個(gè)頁(yè)面，頁(yè)面僅僅是保存像素?cái)?shù)據(jù)的RAM或視頻RAM，是一個(gè)塊內(nèi)存，GPESurf類能用于代表系統(tǒng)顯存上的一個(gè)頁(yè)面，保證在視頻RAM上分配一個(gè)頁(yè)面。
SetPointerShape------設(shè)置光標(biāo)位圖和光標(biāo)區(qū)。
MovePointer------移動(dòng)光標(biāo)。
BltPrepare ------在位塊傳輸操作之前調(diào)用，如果驅(qū)動(dòng)支持位塊傳輸之前的操作，它就允許驅(qū)動(dòng)建立硬件位塊傳輸（blit）操作，并返回一個(gè)實(shí)際操作函數(shù)去執(zhí)行位塊傳輸（blit），在GPE類中提供默認(rèn)的Blit操作函數(shù)。
BltComplete------在塊傳輸完成之后執(zhí)行，如果有必要的話，它允許設(shè)備做任何的清除操作。
Line ------在畫線操作之前和之后調(diào)用，如果在畫線之前調(diào)用，該函數(shù)可以建立硬件的畫線操作，然后返回GPE默認(rèn)的畫線操作；如果在畫線之后調(diào)用，該函數(shù)可以做任何畫線操作之后的清除。
InVBlank ------標(biāo)志是否在水平同步周期時(shí)顯示更新了。
這些函數(shù)在GPE類的源代碼中為空函數(shù)，所以必須在（class SA2Video）中實(shí)現(xiàn)函數(shù)重載。

3.2 創(chuàng)建LCD控制器接口驅(qū)動(dòng)程序

創(chuàng)建LCD控制器的接口驅(qū)動(dòng)程序主要是完成硬件的配置，包括LCD控制器和IO引腳接口的配置。首先根據(jù)LCD顯示接口的電路連接，配置IntelPXA270內(nèi)的IO寄存器，然后根據(jù)外接的LCD屏提供的參數(shù)配置LCD控制器，主要是配置TFT接口時(shí)序，如幀時(shí)鐘，行時(shí)鐘，像素時(shí)鐘，數(shù)據(jù)輸出使能等[6]。在xllp_lcd.c文件中的XllpLCDInit（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)硬件的初始化，以下為該函數(shù)的關(guān)鍵代碼：

XLLP_STATUS_T XllpLCDInit(P_XLLP_LCD_T pXllpLCD)
{ XLLP_STATUS_T status = 0;
// 初始化IO接口，根據(jù)LCD連接電路圖進(jìn)行配置
LCDSetupGPIOs(pXllpLCD);
// 初始LCD控制器及幀緩沖區(qū)
LCDInitController(pXllpLCD);
// 清除LCD控制器的狀態(tài)寄存器
LCDClearStatusReg(pXllpLCD);
// 使能LCD 控制器，驅(qū)動(dòng)LCD屏顯示數(shù)據(jù)
LCDEnableController(pXllpLCD);
return status;
}

3.3 LCD控制器顯示模式的設(shè)置

WindowsCE GDI 支持帶有多種顏色灰度和顏色模式的顯示設(shè)備，從僅用一位表示的顏色到調(diào)色板調(diào)制出真32位RGB，每一種格式支持幾種不同的像素排列方式，這取決于對(duì)顯示內(nèi)存的訪問(wèn)是否支持單字節(jié)方式、雙字節(jié)字方式、四字節(jié)方式。

使用下列掩碼來(lái)提取紅、綠、藍(lán)數(shù)值：每個(gè)像素用16位表示的格式是一種掩碼格式，并且不被調(diào)色，每個(gè)像素我們用兩字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)。結(jié)合TFT LCD顯示接口的硬件電路圖和IntelPXA270 內(nèi)置的LCD控制器，按照IntelPXA270處理器手冊(cè)上的說(shuō)明，需要對(duì)控制引腳初始化[7]。在圖3中，第14口用來(lái)進(jìn)行幀時(shí)鐘控制，結(jié)合IntelPXA270數(shù)據(jù)手冊(cè)，我們配置第14口為L(zhǎng)_VSYNC功能，用如下語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)：
GAFR0_L|=((GAFR0_L&～(1u<<29))|(1u<<28))
所有顯示數(shù)據(jù)線L_DD0—L_DD15都設(shè)為輸出口，并設(shè)為顯示器的數(shù)據(jù)輸出，程序設(shè)計(jì)如下：[!--empirenews.page--]

按照屏的顯示模式來(lái)配置LCD控制寄存器，其中包括配置LCD控制信號(hào)的模式,通過(guò)參看IntelPXA270的數(shù)據(jù)手冊(cè)和一系列的計(jì)算，在掌握TFT LCD時(shí)序圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)配置：

L_FCLK為幀時(shí)鐘；L_LCLK_A0為行時(shí)鐘；L_BIAS為時(shí)鐘使能；L_PCLK_WR為像素時(shí)鐘，LDD<17:0>為像素點(diǎn)數(shù)據(jù)，在本設(shè)計(jì)中我們只用到了LDD<15:0>。
ENB：LCD數(shù)據(jù)使能位 HSP：水平時(shí)鐘信號(hào)電壓極性
0------LCD不可用 0------水平時(shí)鐘為高電平有效
1------LCD使能 1------水平時(shí)鐘為低電平有效
PCP：像素時(shí)鐘電壓極性
0------像素?cái)?shù)據(jù)在數(shù)據(jù)引腳為上升沿時(shí)采樣
1------像素?cái)?shù)據(jù)在數(shù)據(jù)引腳為下降沿時(shí)采樣

(1)行列的定義：
PPL： LCD屏的水平像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。根據(jù)LCD屏的長(zhǎng)度來(lái)確定其值的大小。
PPL =行寬-1
在本設(shè)計(jì)中，行寬為800，那么PPL=800-1；
LPP： LCD屏的垂直像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。根據(jù)LCD屏的寬度來(lái)確定其值的大小。
LPP=列高—1
在本設(shè)計(jì)中，列高為480，那么LPP=480—1；
(2)L_PCLK_WR：
VCLK是LCD控制器的時(shí)鐘信號(hào)，此信號(hào)是LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的象素時(shí)鐘信號(hào)，VCLK計(jì)算時(shí)需先了解LCD屏所要求的幀速率的范圍，并由此設(shè)定一個(gè)在幀速率范圍內(nèi)的值為CLKVAL，VCLK與CLKVAL之間的關(guān)系可用如下公式計(jì)算：VCLK(Hz)=HCLK/(（CLKVAL +1)x2)
最小的CLKVAL為0，最大的CLKVAL由幀速率決定[8]。
(3)各種延時(shí)的取值：
BFW：一幀開始時(shí)所需要的延時(shí)長(zhǎng)度
EFW：一幀結(jié)束時(shí)所需要的延時(shí)長(zhǎng)度
VSW：幀同步信號(hào)VSYNC的寬度定義
BLW：一行開始時(shí)所需要的延時(shí)長(zhǎng)度
ELW：一行結(jié)束時(shí)所需要的延時(shí)長(zhǎng)度
HSW：行同步信號(hào)HSYNC的寬度定義

4 結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式處理器IntelPXA270和WindowsCE進(jìn)行LCD顯示器設(shè)計(jì)，采用LCD驅(qū)動(dòng)TFT顯示屏，顯示模式是主動(dòng)的單掃描彩色模式，像素深度為16位的RGB格式，屏的大小為800×480。通過(guò)充分利用IntelPXA270的硬件資源,用IntelPXA270 控制彩色顯示屏,顯示亮度達(dá)100尼特，在LCD 高亮度的情況下顯示器的功耗小于365 mW ,克服了一般TFT LCD 高亮度伴隨著高功耗的矛盾；支持用戶定制的TFT 液晶屏上實(shí)現(xiàn)WindowsCE 界面的圖形顯示；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，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路能靈活地移植到不同平臺(tái)。