對主板卡EC3-1542CLDN的LCD顯示系統(tǒng)設計

EC3-1542CLDN是一款146 mm×102 mm尺寸的嵌入式單板電腦，其CPU采用美國國家半導體公司最新超低功耗BGA封裝CPU芯片，在0～60℃工作范圍內(nèi)無需風扇，徹底解決了由于風扇可靠性低引起的系統(tǒng)故障。EC3-1542CLDN主要應用于工控機領域。工控機(IPC，也稱產(chǎn)業(yè)電腦、工業(yè)計算機、產(chǎn)業(yè)計算機)是一種具有特殊性能的高可靠性計算機，能夠充分滿足現(xiàn)代商業(yè)和企業(yè)對計算機運行持續(xù)可用性的嚴格要求。作為一種具備特殊性能的計算機，工控機(IPC)能夠在苛刻的外界環(huán)境下連續(xù)長時間穩(wěn)定地運行，他應傳統(tǒng)工業(yè)中過程控制與制造自動化對計算機高適應性和高可靠性的特殊需求而產(chǎn)生。最初，IPC主要應用于專業(yè)的工業(yè)控制現(xiàn)場領域。由于IPC具有抗惡劣環(huán)境、結構擴充性能好、電壓適用范圍寬、各種I／O設備配套齊全以及他對普通PC軟件的完全兼容性等諸多優(yōu)點，使得他的應用廣泛性要遠遠高于普通PC。

　　根據(jù)此板的CPU結構和應用特點，選用CS5530AI／O接口芯片和CS9211顯示芯片做了相應的LCD顯示系統(tǒng)設計，可以廣泛應用在基于單板計算機控制的嵌入式系統(tǒng)中。

1 CPU介紹

　　系統(tǒng)所用的CPU是美國國家半導體GXl微處理器，是低功耗的全x86結構。主要用于信息家電、機頂盒、個人網(wǎng)絡設備等領域。根據(jù)NS Geode GXl處理器內(nèi)核工作電壓，可以分為3大類：2.0 V，1.8 V和1.6 V。他最典型的特點就是低功耗，這一特點利于小型、無風扇的設計。I／O接口電源為3.3 V。采用靜電防護設計。最高運行速率可以達300 Hz。統(tǒng)一的內(nèi)存結構特點：幀緩沖器和視頻存儲駐留在主內(nèi)存區(qū)。他可以與多種NS提供的GeodeI／O設備相兼容。支持大多數(shù)操作系統(tǒng)：Microsoft’s Windows 2000，Windows 95，Windows 98，和Windows NT；Windows CE；VxWorks；QNX；Linux等。

2 CS5530A輸入／輸出系統(tǒng)芯片組

2.1 處理器支持

　　在CS5530A輸入輸出芯片組里包含的傳統(tǒng)的南橋功能，已經(jīng)被設計來支持NS GXl處理器。他在標準的ISA總線和系統(tǒng)ROM之間提供一種橋梁的作用。

2.2 顯示子系統(tǒng)擴展

　　他包括幾個模塊

　　視頻加速器：來自處理器的YUV視頻數(shù)據(jù)格式和緩沖；8位與處理器的接口；YUV到RGB的顏色轉換；伽瑪RAM用于亮度和對比度的調(diào)整。

2.3 時鐘產(chǎn)生

　　在以CS5530A／GX系列為基礎的系統(tǒng)中，CS5530A只產(chǎn)生2個時鐘：CPU的DOT時鐘(DCLK)和ISA時鐘。所有的其他的時鐘都由外部時鐘芯片產(chǎn)生。ISACLK通過分離PCICLK產(chǎn)生，他在正常情況下，運行8.33 MHz或更少。DCLK由14.318 18 MHz(CLK_14 MHz)的輸入時鐘產(chǎn)生。

　　用32位的x86處理，以GXl處理器和CS5530輸入輸出芯片為基礎的設計，具有很高的性能。這兩個芯片集成的視頻、音頻和內(nèi)存接口功能，外部硬件可以正常地實現(xiàn)這些功能。CS5530芯片支持GXl處理器的所有的MMX(多媒體增強指令集)功能。這些功能包括：VGA和VESA視頻，16位立體聲，IDE接口，ISA接口，SMM(系統(tǒng)管理模式)電源管理，以及IBM的AT兼容邏輯等。

3 CS9211顯示芯片

　　同CS5530A一樣，CS9211也是屬于GEODE產(chǎn)品系列，與美國國家半導體的GX系列(GXI，GXLV，GXm)相匹配。從CS5530A輸出的數(shù)字像素流，通過CS9211轉化成數(shù)字RGB輸入到標準SFN／DSTN LCD顯示屏中。支持單色和彩色的DSTN型LCD，最高分辨率達到1 024×768，而對于彩色STN型LCD，則分辨率達到640×480。并且要注意的是，只有在用DSTN型LCD時，外部幀緩沖器是需要的。

　　CS9211直接與顯示屏相連接，可支持以6：6：6格式的18位顏色像素輸入數(shù)據(jù)流；支持達到65 MHz的像素時鐘(DOTCLK)。對于DSTN顯示屏，其刷新頻率可達到120 Hz。對于輸入／輸出的同步脈沖寬度、延時和極性都是可編程的，以適應許多不同類型的顯示屏。顯示屏的電源序列是可以編程來控制的。內(nèi)嵌內(nèi)存控制器支持SDRAM或者EDO存儲，以滿足DSTN的幀緩沖。所用的電源是3.3 V低電源。

4 LCD顯示器

　　LCD是一種被動顯示技術，他本身不發(fā)光，利用反射光顯示字符和圖形。LCD的功耗非常低，于是在低功耗的場合特別是電池供電的嵌入式設備上得到了廣泛的應用。LCD通常使用自然光，反射自然光進行顯示，如果周圍的光很少或沒有光，需要在LCD的后面放置一個光源，這個光源叫背光。通常，LCD只是一個顯示器，使用時需要配合驅(qū)動器和控制器。

　　LCD顯示器包括字符LCD顯示器、圖形LCD顯示器和定制LCD顯示器。對于圖形LCD顯示器又包括黑白、灰度、彩色3種。LCD按顯示原理分為STN和TFT兩種。單色及灰度顯示屏都是STN(超扭曲向列)LCD；TFT(薄膜晶體管)為彩色顯示屏。

5 硬件顯示系統(tǒng)設計

　　根據(jù)上述3芯片的特點，做了系統(tǒng)的硬件設計，其基本設計原理是：GXl處理器的顯示控制器接口與CS5530A輸人輸出接口芯片相連。CS5530A芯片輸出的數(shù)字像素數(shù)據(jù)流，經(jīng)過CS9211芯片后，轉換成STN液晶顯示屏顯示的RGB輸入數(shù)據(jù)。要注意的是，若所用的是DSTN LCD，則還需要DRAM／SDRAM作為外部幀緩沖存儲器。時間和電源時序控制信號從CS5530A被傳送到CS9211中。CS9211芯片與LCD屏之間只有電源控制信號、定時信號和數(shù)據(jù)信號3組。電源控制信號驅(qū)動顯示屏的背光照明、主電源和對比度電壓。定時信號包括水平、垂直同步信號，幀同步、行同步信號等，對不同的顯示屏其定義不同。從CS9211中輸出24位的LCD顯示數(shù)據(jù)，被分成兩個12位數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)格式依據(jù)所連的LCD屏，由偏移量404h[21：16]決定屏的類型和顯示模式。其總體結構圖如圖1所示。

本設計的具體引腳圖如圖2與圖3所示。這里對主要引腳做說明：

SYSCLK：系統(tǒng)時鐘；PSERIAL：電源管理串行接口；DCLK：產(chǎn)生圖形顯示系統(tǒng)的時鐘，由CPU產(chǎn)生(10～200 MHz)；PIXEL：像素數(shù)據(jù)接口；FP_HSYNC：LCD水平同步輸入；FP_VSYNC：LCD垂直同步信號輸入；ENA_DISP：顯示使能；VID_VAL：表示視頻數(shù)據(jù)已出現(xiàn)在VID_DATA輸入口；VID_CLK：視頻顯示時鐘；VID_DATA[7：0]：YUV4：2：2格式或RGB5：6：5格式；VID_RDY：表示CS5530A已準備好接收VID_DATA口的數(shù)據(jù)了；INTR：CPU中斷請求。FP_ENA_BKL：LCD的背光源輸出；FP_ENA_VDD：LCD的電源；FP_DISP_OUT：LCD輸出使能；FP_CLK：LCD時鐘；FP_DATA[5：0]，F(xiàn)P_DATA[11：6]，F(xiàn)P_DATA[17：12]：LCD數(shù)據(jù)口，可以接到DSTN格式芯片，LVDS轉換器或數(shù)字NTSC／PAL解碼器。

DISPOFF#：關閉背光源，注意這一信號是低電平有效；FP_VDDEN：控制LCD的電源；FP_VCONEN：控制LCD的偏置電壓；LP／HSYNC：數(shù)據(jù)行顯示開始；FLM／VSYNC：數(shù)據(jù)幀顯示開始；SHFCLK：LCD時鐘；LDE／MOD：TFT顯示使能；UD[11：0]，LD[11；0]：數(shù)據(jù)掃描，這里的掃描可以根據(jù)要求分別對高位或低位的數(shù)據(jù)進行掃描。

6 軟件設計流程及驅(qū)動程序

　　使用液晶屏顯示基本的是像素控制數(shù)據(jù)的使用。像素控制數(shù)據(jù)的存放與傳送形式?jīng)Q定了顯示的效果。這是顯示控制的基本程序設計思想。由于此設計的軟件編程比較復雜，限于篇幅，在此只列出了實現(xiàn)LCD驅(qū)動的程序流程圖，如圖4所示。

7 系統(tǒng)設計結論

　　本顯示系統(tǒng)，全采用的是美國國家半導體公司的芯片，系統(tǒng)的兼容性好，設計出的系統(tǒng)更加可靠，同時整體性移植更容易。具有廣泛的應用性和實用價值。