彩色液晶顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(圖)
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高性能嵌入式便攜設(shè)備的普及對(duì)嵌入式顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的要求:高性能、低功耗、體積小、可移植性好和能工作在各種光照環(huán)境下。本文設(shè)計(jì)的嵌入式顯示系統(tǒng)為這類(lèi)便攜設(shè)備的顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了一種解決方案,不但滿(mǎn)足了高端嵌入式設(shè)備所需要的高性能,而且在高亮度顯示條件下能維持低功耗,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。
主要器件的恰當(dāng)選擇是實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵,本文選用的嵌入式微處理器三星S3C2440A(同時(shí)也是本顯示系統(tǒng)的LCD控制器)主要面向高端嵌入式設(shè)備,它采用ARM920T內(nèi)核,最高工作頻率達(dá)533MHz,內(nèi)含3通道的異步串行口、SDRAM控制器、I2C總線(xiàn)接口、USB主、從單元設(shè)備接口、攝像頭接口、AC97音頻編解碼接口、觸摸屏接口和LCD控制器等眾多片上外設(shè),低功耗,性?xún)r(jià)比高。另外,夏普公司3.5英寸透反射式TFT-LCD LQ035Q7DH01采用了Advanced-TFT技術(shù),它利用互連薄膜晶體管的導(dǎo)電跡線(xiàn)的金屬敷膜作為反射器,通過(guò)LCD矩陣返回入射光,提高了強(qiáng)環(huán)境光下的亮度同時(shí)又能保持較低的功耗;在明亮場(chǎng)所時(shí)具備 HR-TFT(高反射液晶)功能,而在暗淡環(huán)境下又具備內(nèi)置背燈的透過(guò)型液晶功能,能在強(qiáng)烈的陽(yáng)光和全黑的環(huán)境下工作。其屏幕分辨率為320×240,用18位數(shù)據(jù)信號(hào)能顯示262144種色彩。
由于嵌入式Linux具有良好的穩(wěn)定性和平臺(tái)可移植性,同時(shí)又開(kāi)放原代碼,成本低廉,本文選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Linux 2.4.20平臺(tái),交叉編譯器為arm-linux-gcc 2.95.3,完成了對(duì)LQ035Q7DH01顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。
顯示系統(tǒng)硬件電路
1 LCD控制器電路
LCD控制器用來(lái)傳輸圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),S3C2440A LCD控制器能支持高達(dá)4K色STN屏和256K色TFT屏,支持1024×768分辨率下的各種液晶屏,具有LCD專(zhuān)用DMA。S3C2440A產(chǎn)生的控制信號(hào)主要有幀同步信號(hào)VFRAME、行同步信號(hào)VLINE、像素時(shí)鐘信號(hào)VCLK和數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)VM。S3C2440A有VD[0:23]共24根RGB數(shù)據(jù)線(xiàn),數(shù)據(jù)格式不同,接線(xiàn)方式就不同,本文用的是RGB565方式??刂菩盘?hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)序如圖1所示,
LCD控制器電路如圖2所示。
2 時(shí)序和數(shù)據(jù)匹配電路
由于S3C2440A的LCD控制器與LCD屏LQ035Q7DH01在數(shù)據(jù)格式及顯示時(shí)序上無(wú)法匹配,需要選用一種時(shí)序控制IC或者用CPLD來(lái)對(duì)不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行映射。由于CPLD面積較大、成本較高,因而通常只在需要對(duì)電路進(jìn)行靈活配置的情況下才使用。本文時(shí)序控制IC選用夏普公司的LZ9FC22,該芯片體積小、性能穩(wěn)定、專(zhuān)用于QVGA屏幕TFT-LCD。這是一個(gè)18位(R6G6B6)的控制器,由于本文采用的是RGB565 16位工作模式,所以將芯片輸入引腳R0和B0接地。引腳SIZE用于選擇LCD屏幕類(lèi)型,接低電平時(shí)為320×240型屏幕。接高電平時(shí)為240×320型屏幕,本文LCD為240×320型屏幕,所以該引腳接高電平。引腳VRVE用于選擇LCD幀掃描方向,接低電平時(shí)掃描方向從上到下,接高電平時(shí)則相反,引腳HRVE用于選擇LCD行掃描方向,接低電平時(shí)掃描方向從右到左,接高電平時(shí)則相反。為了方便不同用戶(hù)使用時(shí)能根據(jù)各自需求靈活配置,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)LCD掃描方向配置電路,如圖3所示。兩對(duì)電阻R32、R34和R33、R35每對(duì)根據(jù)需要各選擇一個(gè)接入電路,從而設(shè)定引腳VRVE和HRVE的高低電平。如欲配置LCD幀掃描方向從上到下,則引腳VRVE應(yīng)為低電平,此時(shí)電路中只需接入電阻R35,電阻R33不用接入;如欲配置LCD幀掃描方向從下到上,則引腳VRVE應(yīng)為高電平,此時(shí)電路中只需接入電阻R33,電阻R35不用接入,LCD行掃描方向的配置與之類(lèi)似。本文LCD采用從上到下,從左到右的掃描方向,所以將電阻R32和R35接入電路中而R33和R34位置處為空。
圖3 時(shí)序和數(shù)據(jù)匹配電路
3 多路電壓產(chǎn)生電路
LCD屏內(nèi)集成有數(shù)字電路和模擬電路,需要外部提供數(shù)字電壓和模擬電壓。另外,為了完成數(shù)據(jù)掃描,需要TFT輪流開(kāi)啟/關(guān)閉。當(dāng)TFT開(kāi)啟時(shí),數(shù)據(jù)通過(guò)源極驅(qū)動(dòng)器加載到顯示電極,顯示電極和公共電極間的電壓差再作用于液晶實(shí)現(xiàn)顯示,因此需要控制LCD的開(kāi)啟電壓、關(guān)閉電壓,以及加到公共電極上的電壓。
本文采用松下公司生產(chǎn)的低壓差電壓線(xiàn)性調(diào)節(jié)器LM1117DT-3.3芯片來(lái)產(chǎn)生時(shí)序控制IC和LCD所需要的數(shù)字電壓。采用美國(guó)MAXIM公司推出的有源矩陣液晶顯示器電源芯片MAX1664來(lái)產(chǎn)生其他電壓,兩芯片所需的+5V輸入電壓由220V交流經(jīng)一個(gè)AC/DC開(kāi)關(guān)電源變換后提供。MAX1664內(nèi)部集成有兩個(gè)DC-DC變換器,其中DC-DC1提供從輸入電壓值到+5.5V范圍的輸出電壓,DC-DC2為正負(fù)電壓雙路輸出,一路可提供從輸入電壓值到+28V的輸出電壓,另一路可提供0~-10V的輸出電壓。對(duì)于LQ035Q7DH01這樣的小型TFT LCD,MAX1664能為其提供高效的調(diào)節(jié)電壓。另外,MAX1664是一種高功率開(kāi)關(guān)電源,要注意供電電源電路的連接和旁路電容的連接,芯片旁路端IN和INP之間用一只33Ω的電阻隔離,如圖4所示。圖4中的D4~D6應(yīng)采用高速的肖特基二極管,同時(shí)由于電感的直流等效電阻對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響較大, L3~L4應(yīng)選用等效電阻低的電感, 為減小噪聲輻射,應(yīng)選用屏蔽電感。電路板的布線(xiàn)要細(xì)心操作,接地點(diǎn)的連線(xiàn)要小心處理,否則將影響各輸出電壓的穩(wěn)定。
圖4 多路電壓產(chǎn)生電路
4 顯示系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖
LCD控制器首先從存儲(chǔ)器SDRAM的顯示緩沖區(qū)中讀出圖像數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成RGB565的數(shù)據(jù)格式,然后將數(shù)據(jù)信號(hào)和LCD控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)一并送入時(shí)序控制IC LZ9FC22,時(shí)序控制IC將數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成與LCD相匹配的格式后送入LCD,最后LCD將圖像顯示到屏幕上。這里需要注意的是,在電路板布線(xiàn)時(shí),LCD控制器到LCD屏的連線(xiàn)距離不可過(guò)長(zhǎng),最好不好超過(guò)50cm,否則容易出現(xiàn)顯示錯(cuò)誤。顯示系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
圖5 顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的嵌入式顯示系統(tǒng),顯示亮度達(dá)100尼特,在LCD高亮度的情況下模塊的功耗小于365mW,克服了一般TFT-LCD高亮度伴隨著高功耗的矛盾,同時(shí)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,為移植到不同的平臺(tái)帶來(lái)了較大的靈活性,實(shí)用性很強(qiáng)。