一種基于ARM9的彩色TFT－LCD模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1 引  言

　　TFT-LCD因其厚度薄且畫面質(zhì)量優(yōu)異，可以實(shí)現(xiàn)信息的高速度、高亮度及高對比度顯示，已廣泛應(yīng)用于圖像顯示系統(tǒng)中。雖然TFT-LCD具有良好的顯示性能，但TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)信號非常復(fù)雜，同時(shí)外圍的控制單元需要處理的數(shù)據(jù)量非常大，以一個(gè)分辨率為640×480的彩色TFT-LCD為例，顯示一幅彩色圖像就需要處理900kbyte的數(shù)據(jù)量，這對于傳統(tǒng)的單片機(jī)等處理器顯得無能為力。由于圖像數(shù)據(jù)量大，目前圖像大都采用壓縮后再存儲(chǔ)，其中JPEG (Joint PhotographicExperts Group)格式的壓縮圖像應(yīng)用最為廣泛。

　　為了解決圖像等大容量數(shù)據(jù)在TFT-LCD顯示屏上的應(yīng)用，本文提出了一種基于ARM9處理器S3C2440X的彩色液晶顯示模塊。模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對字符及彩色RGB格式圖像的顯示，同時(shí)還可以顯示JPEG格式的圖像。由于液晶顯示屏只能接收RGB格式的圖像數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)對JPEG格式的圖像顯示，必須對壓縮圖像進(jìn)行解壓縮，JPEG格式圖像的解碼功能在ARM9處理器上實(shí)現(xiàn)。本文提出的方法簡化了彩色TFT-LCD圖像顯示的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)為JPEG格式的解碼及液晶顯示提供了一種實(shí)現(xiàn)方法。液晶顯示模塊可以方便地與外接系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)圖像顯示模塊的功能。

　　2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

　　模塊硬件包括4個(gè)部分：ARM9S3C2440X處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊及RS232串口通信模塊。模塊中使用了兩種非易失性閃存NAND Flash和NOR Flash。考慮到NOR Flash具有芯片內(nèi)執(zhí)行及可靠性高的特點(diǎn)，使用它來存儲(chǔ)ARM9處理器運(yùn)行的程序代碼;存儲(chǔ)容量大且高單元密度的NAND Flash用來存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，作為圖像庫及字符庫的存儲(chǔ)單元。SDRAM 作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器使用。TFT-LCD LQ080V3DG01作為模塊的顯示屏使用。與其他外部模塊通信采用RS232串口方式。

　　模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有：JPEG 格式圖像的解碼;支持24bit彩色RGB圖像數(shù)據(jù)及JPEG兩種格式圖像的顯示;字符的顯示;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為64Mbyte，可以實(shí)現(xiàn)對圖像庫及字符庫的更新;可以設(shè)置不同的串口波特率。模塊功能框圖如圖1所示。

圖1 模塊功能框圖。

　　2.1 ARM9嵌入式處理器S3C2440X

　　S3C2440X是一款基于ARM920T 內(nèi)核、主頻最高達(dá)400MHz、適用于嵌入式應(yīng)用的RISC處理器。它支持可配置的8，16，32bit數(shù)據(jù)總線寬度。在存儲(chǔ)器接口方面，最多可以擴(kuò)展6個(gè)通道的ROM 或RAM 存儲(chǔ)器，以及2 個(gè)通道的SDRAM，同時(shí)它還支持NAND Flash、NORFlash存儲(chǔ)器擴(kuò)展。

　　它內(nèi)部的ARM920T 內(nèi)核具有高速微控制器總線(AMBA BUS)結(jié)構(gòu)及哈佛結(jié)構(gòu)的高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)，高速緩沖分別是16kbyte程序及16kbyte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使其具有良好的高速性能[3];具有豐富的外圍設(shè)備，包括LCD控制器、UART、USB、SD 及SPI等接口，可以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。

　　2.1.1 LCD控制器

　　S3C2440X內(nèi)部LCD控制器接口支持STNLCD及TFT-LCD的無縫連接，它支持單色、調(diào)色板彩色及24bit真彩色的顯示。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，通過程序編程可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的LCD分辨率，數(shù)據(jù)格式及幀頻等設(shè)置，從而滿足各種類型的LCD模塊。S3C2440XLCD控制器用來傳輸視頻數(shù)據(jù)VD [23：0]，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號VSYNC、HSYNC、VDEN及LEND，時(shí)序圖如圖1所示。實(shí)現(xiàn)LCD 控制器功能的關(guān)鍵是根據(jù)LCD時(shí)序的要求，合理配置控制器寄存器。

圖2 TFT-LCD時(shí)序圖。[!--empirenews.page--]

　　圖1中的信號定義如下：

　　VSYNC：LCD控制器和LCD之間的幀同步信號，高電平有效時(shí)表示一幀圖像的起始。

　　HSYNC：行同步信號，由水平有效像素的大小決定。

　　VCLK：LCD時(shí)鐘信號，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)數(shù)據(jù)送入LCD移位寄存器內(nèi)。

　　VDEN：數(shù)據(jù)使能信號，高電平表示數(shù)據(jù)有效。

　　LEND：行結(jié)束信號。

　　VD[23：0]：RGB數(shù)據(jù)信號線。對于24bitTFT-LCD，R、G、B各占8位;而對于16bit TFT屏有兩種方式：5∶6∶5及5∶5∶5+1，使用時(shí)需要注意要與相應(yīng)TFT-LCD的信號相一致。

　　2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

　　NAND Flash是一種固態(tài)內(nèi)存，與EEPROM相比，具有讀寫速度快的優(yōu)勢;與SRAM 相比，具有非易失性等優(yōu)勢。圖像尤其是彩色圖像數(shù)據(jù)量大，因此需要考慮使用大容量的存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。另外，考慮到斷電后數(shù)據(jù)的非易失性，因此選擇NAND Flash作為存儲(chǔ)器件。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元NAND Flash包括圖像庫及字符庫，其中字符庫存儲(chǔ)容量是8Mbyte，圖像庫存儲(chǔ)容量是56Mbyte。模塊選用NAND FlashK9F1216U0A作為圖像的存儲(chǔ)器件，它的容量大小為64M×8bit，其中每頁是(512+16)byte，塊大小是(16k+512)byte;隨機(jī)讀取一頁數(shù)據(jù)的最大時(shí)間是12μs，而向NAND Flash寫入一頁數(shù)據(jù)的典型時(shí)間是200μs。以分辨率為640×480的RGB 彩色圖像為例，圖像數(shù)據(jù)大小是900byte，因此將此圖像寫入Flash的最大時(shí)間是341μs，然后將此圖像從Flash讀出的最長時(shí)間是21μs。

　　以分辨率為640×480的RGB格式彩色圖像為例，56Mbyte的圖像存儲(chǔ)容量可以存儲(chǔ)62幅圖像，完全可以滿足大容量存儲(chǔ)的要求。在存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的編程過程中，由于NAND Flash是以頁為單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這就意味著一幅圖像需要占用多個(gè)頁的存儲(chǔ)空間。需要注意的是，由于NAND Flash器件存在壞塊單元，而且壞塊是隨機(jī)分布的，因此需要對壞塊進(jìn)行標(biāo)記處理，對它們標(biāo)記為不可用，這樣就避免了由于壞塊單元引起的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤。

　　2.1.3 JPEG圖像解碼

　　JPEG是一種目前廣泛使用的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它以其顯著的壓縮效率和較低的圖像質(zhì)量損失獲得了廣泛應(yīng)用，成為國際通用的標(biāo)準(zhǔn)。

　　JPEG的目的是提供一種使用于各種連續(xù)色調(diào)圖像的壓縮方法，并且能夠易于硬件實(shí)現(xiàn)，具有良好的性價(jià)比。為了滿足各種應(yīng)用需求，它提供了兩種壓縮編碼技術(shù)：基于離散余弦變換(DCT)的有損壓縮編碼和基于DPCM 的無損編碼，這兩種編碼方式可以采用4種操作模式來實(shí)現(xiàn)：順序編碼、累進(jìn)編碼、無損編碼及層次編碼。其中基于DCT變換的順序編碼方式最常用。

　　以基于離散余弦變換的順序編碼方式來說明JPEG圖像解碼的過程。圖像解碼是壓縮編碼的反過程，解碼的碼流起始位置標(biāo)志信息，解碼器根據(jù)JPEG壓縮圖像的文件頭信息，得到原始圖像的基本信息。得到原始圖像信息后，解碼器根據(jù)JPEG文件中的霍夫曼表進(jìn)行解碼。由于熵編碼過程中使用霍夫曼編碼分別對DC及AC系數(shù)進(jìn)行編碼，其中系數(shù)編碼的順序采用zig-zag序列，因此實(shí)現(xiàn)解碼時(shí)需要考慮這些相關(guān)實(shí)現(xiàn)過程，詳細(xì)信息請參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]。根據(jù)量化系數(shù)表，經(jīng)霍夫曼解碼后的系數(shù)與相應(yīng)的量化值進(jìn)行乘積，然后進(jìn)行反余弦變換。需要注意的是，JPEG 圖像使用的是YCrCb模型，其中Y 是亮度分量，Cr及Cb是色度分量，需要將系數(shù)的色彩空間從YCrCb轉(zhuǎn)換到RGB空間，最終得到圖像的R、G、B 數(shù)據(jù)值，這些數(shù)據(jù)才可以在液晶顯示屏上顯示。

　　根據(jù)JPEG 文件交換格式提供的資料文獻(xiàn)[6]，YCrCb色彩空間到RGB色彩空間的轉(zhuǎn)換見公式(1)。

　　考慮到延時(shí)應(yīng)盡量小，程序在NOR Flash存儲(chǔ)器上執(zhí)行效率低。圖像解碼算法中應(yīng)合理安排在ARM9中的內(nèi)存分配。設(shè)計(jì)過程中將頻繁訪問的程序代碼及數(shù)據(jù)搬運(yùn)到ARM9內(nèi)部高速緩沖存儲(chǔ)器中，從而提高編碼的效率。由于順序編碼方式最常用，它通常稱為JPEG 基本系統(tǒng)(BaseLine)。設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)的JPEG 圖像解碼支持順序編碼，完全可以滿足應(yīng)用要求。

　　2.2 TFT-LCD LQ080V3DG01

　　實(shí)驗(yàn)中選用LQ080V3DG01彩色液晶顯示模塊測試設(shè)計(jì)效果。LQ080V3DG01 由彩色TFT-LCD面板、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、供電電路及背光單元組成。它支持最大分辨率為640×480的圖形和文字顯示，數(shù)據(jù)輸入格式為18bit，其中紅綠藍(lán)各占6bit，提供的顏色共262 144種。

　　TFT-LCD需要+3。3V或+5V供電電壓，背光需要交流電源供電。輸入的控制信號有4個(gè)：幀同步信號VSYNC、行同步信號HSYNC、數(shù)據(jù)使能信號ENAB及時(shí)鐘信號CK。數(shù)據(jù)線寬度是18bit，紅綠藍(lán)各占6bit，分別是R [0∶5]、G [0∶5]及B [0∶5]，顏色配置信息如表1所示。

表1 輸入數(shù)據(jù)信號及顏色顯示配置

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　　LQ080V3DG01液晶顯示屏的數(shù)據(jù)線共18bit，對于24bit的彩色圖像以及24bit的ARM9S3C2440X的TFT-LCD控制器而言，其接口并不兼容。設(shè)計(jì)中為了適應(yīng)LQ080V3DG01液晶顯示屏的接口，分別舍棄了8bit R、G、B 值的低2位，測試結(jié)果顯示效果良好。如果選用的TFTLCD是24bit數(shù)據(jù)線，則可以直接連接到LCD控制器相應(yīng)的數(shù)據(jù)線。

　　3 模塊設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 工作流程

　　在ARM9執(zhí)行初始化后，主程序就等待外部模塊通過串口發(fā)送指令。外接模塊通過RS232串口與本模塊通信，根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送不同的指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。在約定的串口波特率下，通信協(xié)議如下：顯示圖像時(shí)首先發(fā)送指令0x55，然后再發(fā)送圖像在圖像庫中的編號;顯示字符時(shí)首先發(fā)送指令0x56，然后再發(fā)送字符在字符庫中的編號，最后發(fā)送字符在液晶屏上顯示的橫軸及縱軸坐標(biāo)。需要說明的是，在NAND Flash存儲(chǔ)空間中的圖像庫及字符庫是自己定義的，可以重新下載更新。軟件流程圖如圖3示。

圖3 軟件流程圖

　　3.2 彩色圖像顯示

　　所設(shè)計(jì)的模塊支持24bit彩色RGB及JPEG兩種格式的圖像顯示。因?yàn)橄袼財(cái)?shù)據(jù)可以直接送到液晶接口控制模塊顯示，而JPEG格式的圖像則必須經(jīng)過解碼之后才能顯示，所以圖像在顯示前，需要先判斷圖像數(shù)據(jù)是什么格式。如果圖像數(shù)據(jù)是JPEG格式，則必須經(jīng)過圖像解碼，解碼后得到原始彩色圖像的像素?cái)?shù)據(jù)值R、G、B，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過顯示控制單元送到液晶屏顯示。如果圖像是原始圖像的數(shù)據(jù)，則可以直接送到液晶控制模塊進(jìn)行顯示。

　　由于要顯示的圖像存儲(chǔ)在NAND Flash的圖像庫存儲(chǔ)空間，所以在將彩色圖像輸出到TFT-LCD顯示時(shí)，首先要將需要顯示的圖像數(shù)據(jù)從NAND Flash中讀取出來，得到一幅24bit彩色圖像的完整原始圖像數(shù)據(jù)。原始圖像數(shù)據(jù)中，一個(gè)像素占用3byte，其中R、G、B 各占1byte。將數(shù)據(jù)輸出給TFT-LCD 顯示前，需要根據(jù)LCD接收的數(shù)據(jù)格式將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后才能輸出顯示，圖像數(shù)據(jù)按照從上到下，自左向右的順序輸出[9]。同樣，將TFT-LCD按照相同的順序進(jìn)行掃描，最終完成整幅圖像的顯示。

　　NAND Flash存儲(chǔ)著大量的圖像數(shù)據(jù)，為了區(qū)分不同的圖像數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的圖像輸出顯示，模塊采用RS232串口與外界通信。通過發(fā)送不同的指令，可以將在NAND Flash上存儲(chǔ)的相應(yīng)圖像讀取出來，輸出在TFT-LCD上，最終實(shí)現(xiàn)各種彩色圖像的顯示。

　　3.3 字符顯示

　　字符采用16×16點(diǎn)陣，由于每個(gè)像素占用3byte，所以每個(gè)字符占用768byte。可以將常用字符存儲(chǔ)在NAND Flash中，作為字符庫使用，需要時(shí)調(diào)用即可。當(dāng)顯示字符時(shí)，首先要確認(rèn)相應(yīng)字符在存儲(chǔ)器中的位置，然后根據(jù)地址信息對相應(yīng)字符進(jìn)行操作，最后根據(jù)字符要顯示的位置在液晶屏上輸出，實(shí)現(xiàn)字符在液晶屏上的顯示。

　　實(shí)驗(yàn)過程中為字符庫分配8Mbyte空間，可以存儲(chǔ)10 922個(gè)字符。字符庫還可以實(shí)現(xiàn)更新，只需將存儲(chǔ)器NAND Flash對應(yīng)地址空間的內(nèi)容替換即可。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了測試模塊的正確性，將一幅分辨率為640×480的圖像"AutumnLeaves"下載到NANDFlash存儲(chǔ)器中，它在圖像庫中的編號為0x01。

　　根據(jù)串口通信協(xié)議，向液晶顯示模塊發(fā)送指令0x55，然后再發(fā)送圖像在圖像庫中的編號0x01。

　　顯示模塊接收到指令后，液晶屏顯示效果如圖4所示。測試結(jié)果表明，模塊工作正常，發(fā)送顯示其他圖像及字符的指令同樣效果良好，運(yùn)行可靠，達(dá)到了模塊方案設(shè)計(jì)要求。

圖4 液晶屏顯示圖像測試結(jié)果。

　　5 結(jié)  論

　　提出了一種基于ARM9的24bit彩色TFTLCD液晶顯示模塊設(shè)計(jì)方案。圖像及字符庫存儲(chǔ)在NAND Flash固態(tài)閃存中，保證了圖像及字符的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對圖像庫及字符庫的更新。提供了串口通信方式，可以方便地實(shí)現(xiàn)與其他外接系統(tǒng)交互。該模塊設(shè)計(jì)簡化了彩色TFT-LCD顯示圖像的設(shè)計(jì)難度，提高了開發(fā)效能。模塊可以兼容不同類型的彩色TFT-LCD，為液晶顯示模塊的彩色圖像顯示提供了一種新的方法。