基于SA1110的掌上電腦顯示器的設計與實現(xiàn)

關鍵詞： LCD , 處理器 , 觸摸屏 , 掌上電腦

隨著以網(wǎng)絡為代表的新經(jīng)濟時代的到來，PC已失去昔日的光采，智能3C產(chǎn)品(Computer、Communication and Consumer)將掀起新的一波巨浪。掌上電腦作為智能3C產(chǎn)品的代表之一，以其傳輸迅速、應用方便、功能多樣等特點，正成為市場的主流產(chǎn)品，深受消費者的青睞。

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Palm OS、Windows CE和EPOC操作系統(tǒng)。

為了在掌上電腦這一嵌入式系統(tǒng)的主要應用領域中占有一席之地，清華大學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)權的掌上電腦。這就需要選好和開發(fā)出自己的硬件平臺；同時還要開發(fā)自己的嵌入式Linux操作系統(tǒng)；在硬件平臺和操作系統(tǒng)之上，再開發(fā)各種具體的應用程序，以滿足特定用戶的需求。本文介紹的液晶顯示器的設計是整個系統(tǒng)設計的重要組成部分。

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。
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2 SA1110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?

·無源彩色模式: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1024×1024象素的顯屏。然而在幀存儲器中，由于存儲器的總線寬度、象素編碼數(shù)據(jù)的大小限制了LCD能驅動的顯示屏幕的大小。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位寬的調色板。黑白調色板4位寬，彩色調色板12位寬。來自幀存儲器的象素編碼數(shù)據(jù)(4位)尋址黑白調色板的頂部16單元；8位象素編碼數(shù)據(jù)可訪問調色板中的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)旁路掉彩色調色板并且直接送到LCD的抖動邏輯電路。在有源彩色16位象素模式下，彩色象素數(shù)據(jù)不僅旁路掉彩色調色板，而且旁路掉LCD的抖動邏輯電路，并直接送到LCD的數(shù)據(jù)管腳。一旦4位或8位的象素編碼數(shù)據(jù)選定了一個調色板單元，在這個單元中被編碼的值就被傳送到抖動邏輯電路。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斷，從而給黑白屏產(chǎn)生15級灰度，為彩色屏幕的紅、綠、藍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，一組驅動上半屏，另一組驅動下半屏。

在此方案中?選擇了無源彩色模式。在此模式下，SA1110 LCD控制器的控制過程如圖2所示。
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CPLD PZ3128是Philips公司的專用集成芯片。由于手持設備的液晶顯示屏種類繁多，各廠家的標準不一致使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CPLD PZ3128編程?可為不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)接口進行映射?為不同類型的LCD屏配置專用的ASIC芯片。

SA1110 LCD控制器由以下引腳組成：

·LDD 0~7 :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；

·GPIO 2~9?：當采用的液晶模塊是16位TFT方式時，構成數(shù)據(jù)線的高8位；

·L_PCLK:點時鐘(Pixel clock)，用于把每一點的數(shù)據(jù)送入移位寄存器；

·L_LCLK：行時鐘(Line clock)，用于指示一行數(shù)據(jù)由移位寄存器到顯示驅動芯片傳輸完畢，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(Frame clock)，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，SA1110 LCD控制器首先在RAM中開辟一片緩沖區(qū)作為幀緩沖(FRAME BUFFER)。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FRAME BUFFER的起始地址，讀出FRAME BUFFER中的數(shù)據(jù)到輸入先入先出隊列(INPUT FIFO)。由于在本設計中采用16位方式，無需對幀緩沖中的數(shù)據(jù)進行解碼，所以LCD控制器不處理直接把數(shù)據(jù)送到輸出先入先出隊列(OUTPUT FIFO)。OUTPUT FIFO再將數(shù)據(jù)通過引腳送到CPLD 以驅動液晶顯示。由于SA1110 的LCD控制器擁有自己獨立的雙通道DMA，同時選用了高性能SDRAM，能滿足顯示帶寬的需求。

3 LCD模塊

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備。特別是TFT-LCD，具有高分辨率、寬視角、高對比度等優(yōu)點，在高檔掌上電腦中應用較多。

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。該顯示模塊是彩色反射型和有源矩陣LCD模塊，由TFT彩色LCD屏、驅動芯片、FPC引線、前置燈光、觸摸屏及后封板組成。點陣形式為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個等級的標準模擬脈沖電壓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。