S3C2440A驅(qū)動(dòng)RGB接口TFT LCD的研究

1 引言
    隨著科技的進(jìn)步，TFT LCD作為顯示器件在各種嵌入式系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。帶觸摸屏的TFT LCD模組在系統(tǒng)應(yīng)用中不僅能為人機(jī)界面提供高質(zhì)量的畫(huà)面顯示，而且能提供更直觀、方便的交互性輸入。TMT035DNAFWU1是深圳天馬微電子股份有限公司生產(chǎn)的8.89 cm(3.5 in)TFT LCD模組，該模組內(nèi)置了LCD驅(qū)動(dòng)器，集成了四線電阻式觸摸屏和背光電路。S3C2440A 是三星公司設(shè)計(jì)的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式RISC(reduced instructions set computer)微處理器，它的最高工作頻率可達(dá)533 MHz，內(nèi)部集成了通用的LCD控制器、8通道10位ADC和觸摸屏接口，且具備高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，適用于智能手機(jī)、便攜式媒體播放器、手持導(dǎo)航儀等領(lǐng)域。本文基于S3C2440A嵌入式系統(tǒng)，以TMT035DNAFWU1為顯示設(shè)備，設(shè)計(jì)了TFT LCD驅(qū)動(dòng)電路，并完成Linux下驅(qū)動(dòng)顯示效果的調(diào)試。

2 TFT LCD接口時(shí)序
    TMT035DNAFWU1的顯示分辨率為320×240，采用24位數(shù)字RGB接口，可以顯示16.7 M顏色。
    RGB接口是為T(mén)FT LCD模組提供高品質(zhì)顯示而設(shè)計(jì)的接口，該接口可以高速、低功耗地完成動(dòng)畫(huà)顯示，其中包含4個(gè)重要的控制信號(hào)VSYNC、HSYNC、DCLK 和VDEN，分別用于幀、行、像素的數(shù)據(jù)傳輸。
    圖1為T(mén)MT035DNAFWU1模組RGB接口時(shí)序示意圖。

圖1 RGB接口時(shí)序圖

3 S3C2440A LCD控制器介紹
    S3C2440A 內(nèi)置的LCD控制器能將顯示在LCD上的數(shù)據(jù)從系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通過(guò)邏輯單元傳送到外部的LCD驅(qū)動(dòng)器中。它可以支持不同分辨率的顯示，如：640×480、320×240等，最大可支持24位數(shù)據(jù)的16.7 M 彩色TFT模塊，其控制器框圖如圖2所示。

圖2 S3C2440A LCD控制器框圖
3.1 控制總框圖
    LCD控制器主要由REGBANK、LCDCDMA兩大部分組成，用于產(chǎn)生必要的控制信號(hào)和傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，如圖2所示。REGBANK有17個(gè)可編程寄存器組和256×16的調(diào)色板存儲(chǔ)器，用來(lái)設(shè)定LCD控制器。LCDCDMA 是一個(gè)專(zhuān)用的DMA(Direct Memory Access)，自動(dòng)從幀存儲(chǔ)器傳輸視頻數(shù)據(jù)到LCD控制器，視頻數(shù)據(jù)可以不經(jīng)CPU處理直接顯示在屏上。TIMEGEN 由可編程邏輯器件組成，產(chǎn)生VFRAME/VSYNC、VLINE/HSYNC、VCLK/DCLK、VM/VDEN信號(hào)等，以支持不同的LCD驅(qū)動(dòng)器的接口時(shí)序和速率。LPC3600與LCC3600是專(zhuān)用LCD控制器，在此不做詳細(xì)介紹。

3.2 TFT控制器介紹
    通過(guò)對(duì)REGBANK 寄存器組中的LCDCON1/2/3/4/5進(jìn)行配置，TIMEGEN產(chǎn)生可編程控制信號(hào)來(lái)支持不同類(lèi)型的LCD驅(qū)動(dòng)器。
    VSYNC和HSYNC脈沖與LCDCON2/3的HOZVAL和LINEVAL設(shè)置相關(guān)，HOZVAL和LINEVAL的值由LCD屏的分辨率決定，如下公式：
    HOZVAL=(Horizontal display size)-1    (1)
    LINEVAL=(Vertical display size)-1   (2)
    VCLK的頻率取決于LCDCON1中CLKVAL的設(shè)置，在LCDCON1中配置，VCLK和CLKVAL的關(guān)系如下(CLKVAL的最小值是0)：
    VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]    (3)
    HCLK為S3C2440A 中PLL時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)。
    VSYNC的頻率即為幀頻，它與LCDCON1/2/3/4均有關(guān)，計(jì)算公式如下：
Frame Rate=1/{[(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LINEVAL+1)+(VFPD+1)1×[(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1)]×[2×(CLKVAL+1)/(HCLK)]} (4)
    公式(1)～(4)各參數(shù)數(shù)值的設(shè)置方法在§5.2中給出。

4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    除數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)接口外，TFT LCD模組的驅(qū)動(dòng)電路還包括提供給模組的電源電路、VGL、VGH、VCOM 電壓電路等。根據(jù)TFT LCD模組的接口和S3C2440A 內(nèi)嵌的控制器輸出管腳，完成LCD顯示的控制線路設(shè)計(jì)。電路接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 TFT LCD顯示接口電路設(shè)計(jì)
    VCOM 電壓信號(hào)由TFT LCD模組上SOURCEDRIVER IC輸出的POL信號(hào)提供。POL信號(hào)經(jīng)過(guò)VCOM BUFFER電路，產(chǎn)生VCOM電壓信號(hào)提供給TFT LCD模組。TFT LCD模組采用行翻轉(zhuǎn)方式驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的VCOM BUFFER 電路能夠完成VCOM電壓的交流電壓成分和直流電壓成分的調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)VCOM BUFFER電路，使VCOM 中心點(diǎn)電壓及其幅值達(dá)到應(yīng)用的要求，有效地消除TFT LCD顯示閃爍問(wèn)題并改善顯示質(zhì)量。[!--empirenews.page--]

5 Linux下驅(qū)動(dòng)程序軟件設(shè)計(jì)
5.1 幀緩沖設(shè)備
    幀緩沖為L(zhǎng)inux 2.2.XX以上版本內(nèi)核中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口。該接口采用mmap系統(tǒng)調(diào)用，將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)，允許上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)和I/O控制操作。幀緩沖設(shè)備屬于字符設(shè)備，采用“文件層-驅(qū)動(dòng)層”的接口方式。

5.2 LCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    TFT LCD驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的主要工作包括：初始化S3C2440A 的LCD控制器LCDCON1～5，通過(guò)寫(xiě)寄存器設(shè)置顯示模式和顏色數(shù)，然后分配LCD顯示緩沖區(qū)。根據(jù)TMT035DNAFWU1接口時(shí)序及顯示要求，屏幕顯示分辨率Horizontal display size=320，Vertical display size=240，VCLK=6.4 MHz，而HCLK=133 MHz，故CLKVAL=9。緩沖區(qū)大小為：點(diǎn)陣行數(shù)×點(diǎn)陣列數(shù)×用于表示一個(gè)像素的比特?cái)?shù)/8。緩沖區(qū)通常分配在大容量的片外SDRAM 中，起始地址保存在LCD控制寄存器中，需要分配的顯示緩沖區(qū)為150 kB。最后是初始化一個(gè)fb_info結(jié)構(gòu)，填充其中的成員變量，并調(diào)用fbmem.C里的register_framebuffer(struct fb_info *fb info)將fb_info登記入內(nèi)核。

5.3 RGB接口顯示參數(shù)調(diào)整
    S3C2440A 的LCD 控制寄存器主要有：LCDCON1～5。LCDCON1可以對(duì)LCD的類(lèi)型、數(shù)據(jù)位數(shù)、是否需要VDEN輸出及DCLK進(jìn)行設(shè)置;LCDCON2主要對(duì)VBPD、VFPD、VSPW進(jìn)行設(shè)置;LCDCON3及LCDCON4對(duì)HBPD、HFPD、HSPW 進(jìn)行設(shè)置;LCDCON5可以對(duì)DCLK、HSYNC、VSYNC 的極性做設(shè)置。圖4為RGB接口顯示工作原理示意圖，各個(gè)參數(shù)在實(shí)際顯示中的作用效果見(jiàn)圖4所示。

圖4 RGB接口顯示工作原理
    圖4中，最終顯示區(qū)域(DISPLAY AREA)是由像素時(shí)鐘信號(hào)(DCLK)、行同步信號(hào)(HSYNC)、幀同步信號(hào)(VSYNc)、數(shù)據(jù)使能信號(hào)(VDEN/ENABLE)共同作用的結(jié)果，其大小及位置由各參數(shù)實(shí)際配置來(lái)確定，其中HSPW、HBPD及HFPD確定顯示區(qū)域的行有效數(shù)據(jù)信息，VSPW、VBPD和VFPD確定顯示區(qū)域中幀有效數(shù)據(jù)信息。
   基于Linux下驅(qū)動(dòng)顯示程序，以下為調(diào)試成功的部分源代碼：
/******s3c2440fb.c******/
#define H_SW 35;
#define H_FP 15;
#define H_BP 30;
#define V_SW 5;
#define V_FP 5;
#define V_BP 10;
……
static struct s3c2440fb_mach_info xxx_stn_info __initdata={
pixclock:PIXEL_CLOC, hpp: PIXEL_BPP,
xres:H_RESOLUTION, yres: V_RESOLUTION,
hsync_len: H_SW, vsync_len : V_SW,
left_margin: H_BP, upper_margin:V_BP,
right_margin:H_FP, lower_margin:V_FP,
sync:0, cmap_static:1,
reg:{
lcdcon1: LCD1_BPP_16T | LCD1_PNR_TFT | LCD1_CLKVAL(12),
lcdcon2: LCD2_VBPD(V_BP) | LCD2_VFPD(V_FP) | LCD2_VSPW(V_SW),
lcdcon3: LCD3_HBPD(H_BP) | LCD3_HFPD(H_FP),
lcdcon4: LCD4_HSPW(H_SW),
lcdcon5: LCD5_FRM565 | LCD5_INVVLINE | LCD5_INVVFRAME | LCD5_HWSWP | LCD5_PWREN,
},
};
    在實(shí)際的驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)過(guò)程中，不同的TFTLCD模組的參數(shù)會(huì)有所不同，因此需要根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的有效位置進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)調(diào)整。圖5為RGB接口參數(shù)配置調(diào)整前后的系統(tǒng)顯示對(duì)比效果圖。如果軟件初始化設(shè)置中，未能正確地分配HSPW、HBPD和HFPD，行有效數(shù)據(jù)的位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的錯(cuò)位，表現(xiàn)在實(shí)際顯示中為顯示圖像的整體左右偏移，如圖5(a)所示，液晶顯示器顯示畫(huà)面向左偏移。同理，未能正確地配置VSPW、VBPD和VFPD，幀數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)的位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的錯(cuò)位，表現(xiàn)在實(shí)際顯示中為顯示圖像的上下偏移。

5.4 觸摸屏驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    設(shè)置觸摸屏接口為等待中斷模式(INT_TC中斷)，如果中斷發(fā)生，立即激活相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換模式一般選擇分離的X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式或者自動(dòng)(連續(xù)的)X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式來(lái)獲取觸摸點(diǎn)的X/Y坐標(biāo)。在得到觸摸點(diǎn)的X/Y軸坐標(biāo)值后，返回到等待中斷模式。觸摸屏的驅(qū)動(dòng)流程如圖6。

圖6 觸摸屏控制流程圖
    觸摸屏設(shè)備在Linux系統(tǒng)中也被定義為一個(gè)字符設(shè)備，需要對(duì)觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的全局變量struct TS_DEV進(jìn)行設(shè)置，該變量用來(lái)保存觸摸屏的相關(guān)參數(shù)：等待處理的消息隊(duì)列、當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)、上一次采樣數(shù)據(jù)等信息，變量定義如下：
typedef struct{
unsigned int penStatus;
/* PEN_UP，PEN_DOWN，PEN_SAMPLE */
TS_RET buf[MAX_TS_BUF];
/*環(huán)形緩沖區(qū)*/
unsigned int head,tail;
/* 環(huán)形緩沖區(qū)的頭、尾 */
wait_queue_head_t wq;
spinlock_t lock;
}TS_DEV ;
    根據(jù)觸摸屏對(duì)應(yīng)TFT LCD的分辨率大小，對(duì)環(huán)形緩沖區(qū)的大小進(jìn)行初始化配置。

6 結(jié)論
    分析了RGB接口的TFT LCD模組接口工作時(shí)序，以ARM920T內(nèi)核的S3C2440A處理器為核心，加外圍電路構(gòu)建了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，完成Linux顯示驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)清晰穩(wěn)定的顯示。帶觸摸屏的TFT LCD模組驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及顯示效果調(diào)節(jié)方法為各種手持?jǐn)?shù)碼電子產(chǎn)品、導(dǎo)航儀等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一套完整的解決方案。