基于SA1110微處理器的掌上電腦液晶顯示器設(shè)計(jì)

掌上電腦即PDA（Personal Digital Assistant），就是個(gè)人數(shù)字助理的意思。顧名思義就是輔助個(gè)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(duì)于剛剛使用的人來(lái)說(shuō)比較輕松，操作方法和我們常用的windows操作系統(tǒng)相似，國(guó)[1]內(nèi)稱(chēng)玩PPC的人為"蜥蜴".Palm的操作對(duì)于新手來(lái)說(shuō)可能有些生澀，但是長(zhǎng)期用起來(lái)就會(huì)愛(ài)不釋手，所以現(xiàn)在國(guó)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(huà)就稱(chēng)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(kāi)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(dòng)化系和深圳翔龍公司決定開(kāi)發(fā)具有民族自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的掌上電腦。這就需要選好和開(kāi)發(fā)出自己的硬件平臺(tái)；在硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)之上，再開(kāi)發(fā)各種具體的應(yīng)用程序，以滿(mǎn)足特定用戶(hù)的需求。本文介紹的液晶顯示器的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuān)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(lèi)型

·無(wú)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(wú)源黑白模式：支持15級(jí)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(chǔ)在外部存儲(chǔ)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(gè)5單元（32位長(zhǎng)）的隊(duì)列緩沖器中。DMA控制器的一個(gè)通道用于單屏顯示，另一個(gè)用于雙屏顯示。

在幀存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)著象素編碼數(shù)據(jù)。LCD控制器將其用作指針去索引一個(gè)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(lái)自幀存儲(chǔ)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(fǎng)問(wèn)調(diào)色板中的256單元的任意一個(gè)。在無(wú)源彩色12位象素模式下，彩色象素?cái)?shù)據(jù)旁路掉彩色調(diào)色板并且直接送到LCD的抖動(dòng)邏輯電路。抖動(dòng)邏輯電路使用一種空基和時(shí)基算法產(chǎn)生輸出到屏幕的象素?cái)?shù)據(jù)。抖動(dòng)邏輯促使每一個(gè)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(jí)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(jí)色度，總計(jì)為3375種彩色（每幀可獲得256種彩色）。來(lái)自抖動(dòng)邏輯電路的輸出數(shù)據(jù)在被輸出到LCD引腳和象素時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)顯示器之前，被放置在一個(gè)9單元的引腳數(shù)據(jù)隊(duì)列緩沖區(qū)內(nèi)。

根據(jù)所使用的顯示屏類(lèi)型，可將LCD控制器編程為4位、8位或16位的象素?cái)?shù)據(jù)引腳。單屏黑白顯示器在每個(gè)象素時(shí)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(gè)象素時(shí)鐘周期內(nèi)去輸出2~2/3位的象素（8引腳/3種色彩/每個(gè)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(dòng)上半屏，另一組驅(qū)動(dòng)下半屏。

在此方案中選擇了無(wú)源彩色模式。在此模式下，SA1110LCD控制器的控制過(guò)程如圖2所示。

CPLDPZ3128是Philips公司的專(zhuān)用集成芯片。由于手持設(shè)備的液晶顯示屏種類(lèi)繁多，各廠(chǎng)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(shí)序上無(wú)法匹配。因此，對(duì)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(lèi)型的LCD屏配置專(zhuān)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(xiàn)用于4位和8位顯示模式，同時(shí)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(shí)，構(gòu)成數(shù)據(jù)線(xiàn)的高8位；

·L_PCLK:點(diǎn)時(shí)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(shí)鐘（Lineclock），用于指示一行數(shù)據(jù)由移位寄存器到顯示驅(qū)動(dòng)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(hào)；

·L_FCLK:幀時(shí)鐘（Frameclock），用于指示一幀圖像的開(kāi)始，同時(shí)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(hào)；

·L_BIAS:在16位TFT方式下，輸出允許信號(hào)，用于指示數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)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(kāi)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(duì)列（INPUTFIFO）。由于SA1110的LCD控制器擁有自己獨(dú)立的雙通道DMA,同時(shí)選用了高性能SDRAM,能滿(mǎn)足顯示帶寬的需求。

3 LCD模塊

LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡(jiǎn)稱(chēng)，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(xiàn)，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線(xiàn)折射出來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面。比CRT要好的多，但是價(jià)錢(qián)較其貴。

隨著價(jià)格的下降，液晶顯示由于低功耗、無(wú)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(duì)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(lái)的白色光經(jīng)過(guò)鏡頭組后會(huì)聚到分色鏡組，紅色光首先被分離出來(lái)，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(huì)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(gè)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(jì)分為三種擺放形式：一種是四個(gè)邊各有一個(gè)燈管，但缺點(diǎn)是中間會(huì)出現(xiàn)黑影，解決的方法就是由上到下四個(gè)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(jì)實(shí)際使用的是三根燈管，廠(chǎng)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(hào)的單色和彩色LCD,給開(kāi)發(fā)者的選擇帶來(lái)很大方便。根據(jù)用戶(hù)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(hào)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(gè)等級(jí)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(shí)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(duì)其數(shù)值要求精度較高。同時(shí)，它們是脈沖信號(hào)，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(hào)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(kāi)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(kāi)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(chēng)為觸控面板，是個(gè)可接收觸頭等輸入訊號(hào)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(shí)，屏幕上的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動(dòng)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(huà)面制造出生動(dòng)的影音效果。

隨著多媒體信息查詢(xún)的與日俱增，人們?cè)絹?lái)越多地談到觸摸屏，因?yàn)橛|摸屏不僅適用于中國(guó)多媒體信息查詢(xún)的國(guó)情，而且觸摸屏具有堅(jiān)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(hù)只要用手指輕輕地碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hù)。

觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)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。

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(gè)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(gè)極板。

通過(guò)電阻式觸摸屏，可以測(cè)得接觸點(diǎn)的位置和壓力。當(dāng)需要測(cè)試X坐標(biāo)時(shí)，首先給X極板的兩端加偏置電壓，然后測(cè)試tspy、tsmy之一或全部。Y坐標(biāo)的測(cè)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(xiàn)性：1.5%;

·絕緣電阻大于：20MΩ；

·能檢測(cè)到的最小壓力：24g.

本設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)點(diǎn)擊處的X和Y方向的模擬電壓信號(hào)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(guò)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：

（1）完整的四線(xiàn)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(hào)線(xiàn)tspx、tsmx、tspy和tsmy,可以實(shí)現(xiàn)位置、壓力和極板電阻的測(cè)量。

（2）帶有內(nèi)部跟蹤保持電路以及模擬多路開(kāi)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(gè)模擬電壓的監(jiān)視，其中外電路4個(gè)模擬電壓監(jiān)視用于電源管理。

（3）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）4線(xiàn)高速串行接口數(shù)據(jù)總線(xiàn)，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(guò)MCP同步串口來(lái)讀寫(xiě)。

（6）因?yàn)橛|摸屏與LCD的近耦合，來(lái)自L(fǎng)CD屏的大的尖峰干擾信號(hào)會(huì)影響觸摸屏的工作，因此觸摸屏控制器內(nèi)部有4個(gè)低通濾波器，用于降低來(lái)自L(fǎng)CD的高頻干擾。

盡管目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的各種PDA和掌上電腦產(chǎn)品比較多，某些國(guó)內(nèi)的品牌也很暢銷(xiāo)，但是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造上，都是靠***地區(qū)等廠(chǎng)商的OEM,真正自主研究開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)幾乎為零。因此，本項(xiàng)目中掌上電腦硬件平臺(tái)系統(tǒng)的研制成功，特別是基于IntelStrongARMSA1110高性能CPU的樣機(jī)，在國(guó)內(nèi)仍處于領(lǐng)先地位，并且為同組人員開(kāi)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。