分析掌上電腦液晶顯示器設(shè)計與應(yīng)用

　掌上電腦即PDA（Personal Digital Assistant），就是個人數(shù)字助理的意思。顧名思義就是輔助個人工作的數(shù)字工具，主要提供記事、通訊錄、名片交換及行程安排等功能。PPC對于剛剛使用的人來說比較輕松，操作方法和我們常用的windows操作系統(tǒng)相似，國[1]內(nèi)稱玩PPC的人為"蜥蜴".Palm的操作對于新手來說可能有些生澀，但是長期用起來就會愛不釋手，所以現(xiàn)在國內(nèi)也迅速的涌現(xiàn)出以大批"胖友"（玩palm的人）。如果PPC和PALM都玩的話就稱為"胖蜥蜴".

　　目前，掌上電腦CPU中比較流行的有MIPS系列、SuperH系列、DragonBall系列以及ARM系列。在操作系統(tǒng)領(lǐng)域，除了部分采用Linux和自行開發(fā)的操作系統(tǒng)外，大部分產(chǎn)品采用PalmOS、WindowsCE和EPOC操作系統(tǒng)。

　　為了在掌上電腦這一嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，清華大學(xué)自動化系和深圳翔龍公司決定開發(fā)具有民族自主知識產(chǎn)權(quán)的掌上電腦。這就需要選好和開發(fā)出自己的硬件平臺；在硬件平臺和操作系統(tǒng)之上，再開發(fā)各種具體的應(yīng)用程序，以滿足特定用戶的需求。本文介紹的液晶顯示器的設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。

　　1硬件電路組成

　　基于SA1110微處理器的掌上電腦液晶顯示器的硬件電路如圖1所示。主要由三部分組成：LCD控制器、專用集成電路芯片CPLD和液晶顯示屏LCD.

　　2SA1110的LCD控制器

　　SA1110芯片內(nèi)部集成了LCD控制器，該控制器有三種顯示類型?

　　·無源彩模式：支持3375種彩色?每幀允許顯示256種彩色；

　　·有源彩色模式：支持高達(dá)65536種彩色（16位）；

　　·無源黑白模式：支持15級灰度。

　　LCD控制器支持高達(dá)1024×1024象素的顯屏。LCD控制器也支持單屏和雙屏顯示。象素編碼數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中，LCD的雙通道DMA控制器可根據(jù)具體情況把數(shù)據(jù)裝入一個5單元（32位長）的隊列緩沖器中。DMA控制器的一個通道用于單屏顯示，另一個用于雙屏顯示。

　　在幀存儲器中，存儲著象素編碼數(shù)據(jù)。LCD控制器將其用作指針去索引一個256單元12位寬的調(diào)色板。黑白調(diào)色板4位寬，彩色調(diào)色板12位寬。來自幀存儲器的象素編碼數(shù)據(jù)（4位）尋址黑白調(diào)色板的頂部16單元；8位象素編碼數(shù)據(jù)可訪問調(diào)色板中的256單元的任意一個。在無源彩色12位象素模式下，彩色象素數(shù)據(jù)旁路掉彩色調(diào)色板并且直接送到LCD的抖動邏輯電路。抖動邏輯電路使用一種空基和時基算法產(chǎn)生輸出到屏幕的象素數(shù)據(jù)。抖動邏輯促使每一個象素以不同的速率在每一幀上關(guān)斷，從而給黑白屏產(chǎn)生15級灰度，為彩色屏幕的紅、綠、藍(lán)三基色中的每一種都產(chǎn)生15級色度，總計為3375種彩色（每幀可獲得256種彩色）。來自抖動邏輯電路的輸出數(shù)據(jù)在被輸出到LCD引腳和象素時鐘驅(qū)動顯示器之前，被放置在一個9單元的引腳數(shù)據(jù)隊列緩沖區(qū)內(nèi)。

　　根據(jù)所使用的顯示屏類型，可將LCD控制器編程為4位、8位或16位的象素數(shù)據(jù)引腳。單屏黑白顯示器在每個象素時鐘周期內(nèi)既可以采用4位也可以采用8位的數(shù)據(jù)引腳去輸出4位或8位的象素。單屏彩色顯示器可以采用8位的數(shù)據(jù)引腳在每個象素時鐘周期內(nèi)去輸出2~2/3位的象素（8引腳/3種色彩/每個象素）。LCD控制器也支持雙屏顯示。雙屏顯示促使LCD控制器數(shù)據(jù)行被分成兩組，一組驅(qū)動上半屏，另一組驅(qū)動下半屏。[!--empirenews.page--]

　　在此方案中?選擇了無源彩色模式。在此模式下，SA1110LCD控制器的控制過程如圖2所示。

　　CPLDPZ3128是Philips公司的專用集成芯片。由于手持設(shè)備的液晶顯示屏種類繁多，各廠家的標(biāo)準(zhǔn)不一致使SA1110的LCD控制器與SHARP公司的3.9寸TFT有源型彩色液晶顯示器在數(shù)據(jù)格式及顯示時序上無法匹配。因此，對CPLDPZ3128編程可為不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行映射為不同類型的LCD屏配置專用的ASIC芯片。

　　SA1110LCD控制器由以下引腳組成：

　　·LDD0~7:7位數(shù)據(jù)線?用于4位和8位顯示模式，同時也是16位TFT方式的低8位；

　　·GPIO2~9?：當(dāng)采用的液晶模塊是16位TFT方式時，構(gòu)成數(shù)據(jù)線的高8位；

　　·L_PCLK:點(diǎn)時鐘（Pixelclock），用于把每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)送入移位寄存器；

　　·L_LCLK:行時鐘（Lineclock），用于指示一行數(shù)據(jù)由移位寄存器到顯示驅(qū)動芯片傳輸完畢，并使得行指針加1.在16位TFT方式下，就是水平同步信號；

　　·L_FCLK:幀時鐘（Frameclock），用于指示一幀圖像的開始，同時把行指針置于顯示屏的第一行。在16位TFT方式下，就是垂直同步信號；

　　·L_BIAS:在16位TFT方式下，輸出允許信號，用于指示數(shù)據(jù)信號在時鐘信號的同步下，鎖存到引腳。

　　為了顯示一幀圖像，SA1110LCD控制器首先在RAM中開辟一片緩沖區(qū)作為幀緩沖（FRAMEBUFFER）。存入要顯示的圖像數(shù)據(jù)，然后讓LCD控制器的DMA地址寄存器指向FRAMEBUFFER的起始地址，讀出FRAMEBUFFER中的數(shù)據(jù)到輸入先入先出隊列（INPUTFIFO）。由于SA1110的LCD控制器擁有自己獨(dú)立的雙通道DMA,同時選用了高性能SDRAM,能滿足顯示帶寬的需求。[!--empirenews.page--]

　　3 LCD模塊

　　LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。比CRT要好的多，但是價錢較其貴。

　　隨著價格的下降，液晶顯示由于低功耗、無輻射、輕便而廣泛用于各種掌上設(shè)備。特別是TFT-LCD,具有高分辨率、寬視角、高對比度等優(yōu)點(diǎn)，在高檔掌上電腦中應(yīng)用較多。LCD投影機(jī)按內(nèi)部液晶板的片數(shù)可分為單片式和三片式兩種，現(xiàn)代液晶投影機(jī)大都采用3片式LCD板。三片式LCD投影機(jī)是用紅、綠、藍(lán)三塊液晶板分別作為紅、綠、藍(lán)三色光的控制層。光源發(fā)射出來的白色光經(jīng)過鏡頭組后會聚到分色鏡組，紅色光首先被分離出來，投射到紅色液晶板上，液晶板"記錄"下的以透明度表示的圖像信息被投射生成了圖像中的紅色光信息。綠色光被投射到綠色液晶板上，形成圖像中的綠色光信息，同樣藍(lán)色光經(jīng)藍(lán)色液晶板后生成圖像中的藍(lán)色光信息，三種顏色的光在棱鏡中會聚，由投影鏡頭投射到投影幕上形成一幅全彩色圖像。三片式LCD投影機(jī)比單片式LCD投影機(jī)具有更高的圖像質(zhì)量和更高的亮度。

　　LCD是一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的物質(zhì)，本身是不能發(fā)光的，需借助要額外的光源才行。因此，燈管數(shù)目關(guān)系著液晶顯示器亮度。最早的液晶顯示器只有上下兩個燈管，發(fā)展到現(xiàn)在，普及型的最低也是四燈，高端的是六燈。四燈管設(shè)計分為三種擺放形式：一種是四個邊各有一個燈管，但缺點(diǎn)是中間會出現(xiàn)黑影，解決的方法就是由上到下四個燈管平排列的方式，最后一種是"U"型的擺放形式，其實(shí)是兩燈變相產(chǎn)生的兩根燈管。六燈管設(shè)計實(shí)際使用的是三根燈管，廠商將三根燈管都彎成"U"型，然后平行放置，以達(dá)到六根燈管的效果。

　　作為SOC芯片的SA1110中本身就帶有LCD控制器，支持4、8、12和16位格式的多種型號的單色和彩色LCD,給開發(fā)者的選擇帶來很大方便。根據(jù)用戶的要求，考慮到實(shí)際的顯示效果，本方案選擇了SHARP的3.9寸TFT有源型彩色液晶顯示器，具體型號為：LQ039Q2DS54.點(diǎn)陣形式為320×3×240,可以顯示圖形和文字，最多可以顯示262144種顏色。

　　液晶模塊需要10個等級的標(biāo)準(zhǔn)模擬脈沖電壓V0~V9,用于LCD模塊內(nèi)部產(chǎn)生灰度顯示時的參考。這些電壓直接影響LCD顯示的色彩和灰度的準(zhǔn)確性，對其數(shù)值要求精度較高。同時，它們是脈沖信號，要求邊沿陡，以保證顯示點(diǎn)清晰。圖3為V0~V9的波形示意圖，V0~V9的幅度參數(shù)要求如表1.

　　表1中電壓信號的產(chǎn)生先用高精度電阻構(gòu)成陣列，用電阻分壓法產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，再由二選一開關(guān)按照LCD顯示的幀頻率進(jìn)行高速切換，在輸出端就可得到所需的標(biāo)準(zhǔn)模擬脈沖電壓。其中，二選一開關(guān)選用LMC6009,該部分電路如圖4所示。

　　LQ039Q2DS54與眾多的TFT一樣，每一象素采用18位的編碼方式。紅、綠、藍(lán)每一種基色6位，即RGB666.但SA1110的LCD控制器支持16位方式，因此必須把紅、藍(lán)的最低位接地，從而形成5位紅、6位綠、5位藍(lán)的RGB565格式。這樣產(chǎn)生的色差非常小。

　　4觸摸屏

　　觸控屏（Touch panel）又稱為觸控面板，是個可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。

　　隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們越來越多地談到觸摸屏，因?yàn)橛|摸屏不僅適用于中國多媒體信息查詢的國情，而且觸摸屏具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點(diǎn)。利用這種技術(shù)，我們用戶只要用手指輕輕地碰計算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對主機(jī)操作，從而使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)，這種技術(shù)大大方便了那些不懂電腦操作的用戶。 

　　觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。[!--empirenews.page--]

　　通常，供掌上設(shè)備使用的觸摸屏一般都與LCD液晶屏集成安裝在一起，緊貼在LCD的表面。SHARP3.9寸TFTLCD（LQ039Q2DS54）表面裝有一個電阻式觸摸屏，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，分為X和Y上下兩個極板。

　　通過電阻式觸摸屏，可以測得接觸點(diǎn)的位置和壓力。當(dāng)需要測試X坐標(biāo)時，首先給X極板的兩端加偏置電壓，然后測試tspy、tsmy之一或全部。Y坐標(biāo)的測試同理，只是X極板和Y極板互換而已。SHARP3.9寸TFTLCD（LQ039Q2DS54）表面安裝的電阻式觸摸屏的特性參數(shù)如下：

　　·輸入電壓：5V;

　　·X1和X2之間的電阻：320Ω；

　　·Y1和Y2之間的電阻：580Ω；

　　·X或Y方向的行線性：1.5%;

　　·絕緣電阻大于：20MΩ；

　　·能檢測到的最小壓力：24g.

　　本設(shè)計中所采用的Philips公司的UCB1300不僅可以作為MODEM和音頻模擬前端芯片，而且它的內(nèi)部集成有觸摸屏控制器，可以一片多用，便于在掌上系統(tǒng)中使用。觸摸屏控制器的功能包括：同時對點(diǎn)擊處的X和Y方向的模擬電壓信號進(jìn)行數(shù)字量化，得到點(diǎn)擊位置數(shù)據(jù)，保存在內(nèi)部寄存器中；再通過MCP接口讀到微處理器中。UCB1300與觸摸屏控制器相關(guān)的特征有：

　?。?）完整的四線電阻式（壓感式）觸摸屏接口電路，分別連接觸摸屏的4條信號線tspx、tsmx、tspy和tsmy,可以實(shí)現(xiàn)位置、壓力和極板電阻的測量。

　?。?）帶有內(nèi)部跟蹤保持電路以及模擬多路開關(guān)的10位連續(xù)逼近型ADC,用于觸摸屏觸點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀出和外電路4個模擬電壓的監(jiān)視，其中外電路4個模擬電壓監(jiān)視用于電源管理。

　?。?）內(nèi)部帶有參考電壓源，為10位ADC提供基準(zhǔn)電壓和虛擬地參考。這樣就可以不受電源電壓和溫度變化的影響。

　?。?）4線高速串行接口數(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)與主處理器SA1110的MCP同步串口通信，有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)幀定義。

　　（5）觸摸屏的各種工作模式由UCB1300的內(nèi)部控制寄存器設(shè)置，而這些控制寄存器由SA1110通過MCP同步串口來讀寫。

　?。?）因?yàn)橛|摸屏與LCD的近耦合，來自LCD屏的大的尖峰干擾信號會影響觸摸屏的工作，因此觸摸屏控制器內(nèi)部有4個低通濾波器，用于降低來自LCD的高頻干擾。

　　盡管目前國內(nèi)市場上的各種PDA和掌上電腦產(chǎn)品比較多，某些國內(nèi)的品牌也很暢銷，但是在產(chǎn)品設(shè)計和制造上，都是靠臺灣地區(qū)等廠商的OEM,真正自主研究開發(fā)的硬件平臺幾乎為零。因此，本項(xiàng)目中掌上電腦硬件平臺系統(tǒng)的研制成功，特別是基于IntelStrongARMSA1110高性能CPU的樣機(jī)，在國內(nèi)仍處于領(lǐng)先地位，并且為同組人員開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序提供了硬件環(huán)境。