基于嵌入式CPU S3C2440的VGA顯示系統設計

摘要：基于VGA接口時(shí)序，以高性能視頻D/A芯片ADV7120為核心。實(shí)現了基于嵌入式CPUS3C2440的VGA顯示子系統。系統一方面利用S3C24 40自帶的LCD控制器產(chǎn)生符合VGA顯示要求的時(shí)序邏輯，另一方面通過(guò)LCD數據線(xiàn)將數字RGB信號傳遞給具有8路通道的視頻D/A芯片ADV7120，產(chǎn)生VGA顯示需要的模擬色彩信號。通過(guò)TFTLCD掃描顯示的時(shí)序與VGA掃描顯示時(shí)序的匹配，驅動(dòng)VGA顯示屏。該系統能夠達到正常顯示色彩信息的要求，且價(jià)格低廉，適用于對顯示效果要求不苛刻，但要求大尺寸顯示屏且對價(jià)格敏感的嵌入式應用中。

目前很多SOC廠(chǎng)商的微處理器芯片都集成了LCD控制器，如三星公司的S3C2410.S3C2440，Intel的Xscale系列等。大多數嵌入式系統也采用流行的LCD顯示技術(shù)。但是在需要大屏幕顯示、對分辨率要求不高的場(chǎng)合，如車(chē)間、廠(chǎng)房，采用大屏幕LCD則成本過(guò)高。另一方面，VGA顯示技術(shù)因為技術(shù)發(fā)展成熟，成本低廉，仍在被大量使用，直到今天它仍是所有顯示終端最為成熟的標準接口。如果讓嵌入式處理器直接支持VGA顯示器，則能很大地利用現有資源，節約系統成本。

1 基于S3C2440的VGA顯示技術(shù)分析

通過(guò)分析VGA顯示技術(shù)的時(shí)序邏輯與S3C2440內部集成LCD控制器驅動(dòng)TFT LCD的時(shí)序邏輯，找出它們的共同點(diǎn)，分析在S3C2440上應用VGA顯示接口的可行性。

1.1 VGA顯示原理

VGA（Video Graphics Arrnay）是IBM公司提出的目前仍然廣泛應用于PC的顯示接口。該接口具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應用。VGA接口在物理上表現為DB15的插座，其中VGA適配器端使用的是陰性DB15標準的接口。其引腳定義如表1所示。

表1 VGA適配器引腳定義

VGA接口使用模擬RGB通道，逐點(diǎn)、逐行掃描。其時(shí)序如圖1所示。VGA接口信號為模擬信號，其關(guān)鍵信號有5個(gè)，分別是Horizontal Sync水平同步信號（也叫行同步信號），垂直同步信號Vertical Sync（也叫場(chǎng)同步信號），紅色模擬信號，綠色模擬信號和籃色模擬信號。電子槍從左至右，從上而下的進(jìn)行掃描，每行結束時(shí)，用行同步信號進(jìn)行同步。掃描完所有的行后用場(chǎng)同步信號進(jìn)行場(chǎng)同步。因電子槍偏轉需要時(shí)間，所以?huà)咄昊剞D中，要對電子槍進(jìn)行消隱控制，在每行結束后的回轉過(guò)程中進(jìn)行行消隱，在每場(chǎng)結束后的回轉過(guò)程中進(jìn)行場(chǎng)消隱。消隱過(guò)程中不發(fā)送電子束。

圖1 VGA的掃描時(shí)序

1. 2 TFT LCD顯示屏掃描時(shí)序分析

基于A(yíng)RM920T內核的S3C2440芯片外圍集成了LCD控制器，LCD控制器被用來(lái)向LCD傳輸圖像數據，并提供必要的控制信號，比如VFRAME、VLINE、VCLK、VM等。除此之外，LCD控制器還包括一組控制寄存器：LCDCON1寄存器、LCDCON2寄存器、LCDCON3寄存器、LCDCON4寄存器、LCD CON5寄存器。這些寄存器的設置與顯示屏信息、控制時(shí)序和數據傳輸格式等密切相關(guān)，在設計中需要根據顯示設備的具體信息正確設置這些寄存器才能使S3C2440正?？刂乞寗?dòng)不同的顯示屏。

典垂的TFT液晶顯示屏的掃描對序如圖2所示。

圖2 典型TFT LCD掃描時(shí)序

其中主要包括：

1）幀（垂直）同步（VSYNC）：用高電平（或低電平）表示掃描一幀的起始。

2）行（水平）同步（HSYNC）：用高電平（或低電平）表示掃描一行的起始。

3）時(shí)鐘（VCLK）：通過(guò)上升沿（或下降沿）把數據寫(xiě)入液晶屏。

4）數據有效控制（VDEN）：表示是否開(kāi)啟TFT輸出。

5）數據信號（VD）：表示每個(gè)點(diǎn)的顏色，通常有16位、18位、24位等模式。

通過(guò)對比VGA接口的時(shí)序和TFT LCD液晶顯示屏的掃描時(shí)序，可以看出它們很相似。這就為用LCD控制器驅動(dòng)VGA顯示屏提供了內在的可能性。而且一旦實(shí)現了這種轉接方案，由于是由硬件實(shí)現的兩種接口的電氣轉換，不需要寫(xiě)任何驅動(dòng)程序，是在嵌入式系統平臺上擴展VGA接口的最方便的方案。比較兩種接口的特性，要實(shí)現從TFT時(shí)序到VGA時(shí)序的轉換，需要解決的向題有：

1）TFT液晶掃描同步信號和VGA同步信號的電平問(wèn)題。

2）TFT液晶控制器的輸出是RGB數字接口，而VGA的紅綠藍通道時(shí)模擬量，兩者需要通過(guò)D/A轉換。使用D/A要考慮轉換精度、轉換速度、轉換通道數等問(wèn)題。其中，為滿(mǎn)足真彩色（24位）的要求，8位的轉換精度就可以?；赩GA對幀頻的要求，每個(gè)點(diǎn)的轉換頻率必須大于27 MHz，同時(shí)，必須至少有3個(gè)通道同時(shí)轉換，以滿(mǎn)足紅綠藍（RGB）3個(gè)通道的輸出。

針對這種轉換的D/A通常稱(chēng)為視頻D/A，本設計采用ATI公司的視頻D/A芯片ADV7120。

1.3 ADV7120簡(jiǎn)介

ADV7120是美國ADI公司生產(chǎn)的高速視頻數模轉換芯片，其像素掃描時(shí)鐘頻率有30、50、80 MHz 3個(gè)等級。ADV7120在單芯片上集成了3個(gè)獨立的8位高速D/A轉換器，可以分別處理紅、綠、藍視頻數據，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速D/A轉換的應用系統。

ADV7120的輸入及控制信號非常簡(jiǎn)單：3組8位的數字視頻數據輸入端，分別對應RGB視頻數據，數據輸入端采用標準TTL電平接口；4條視頻控制信號線(xiàn)包括復合同步信號SYNC、消隱信號BLANK、白電平參考信號REFWHITE和像索時(shí)鐘信號CLOCK;外接一個(gè)1.23 V數模轉換參考電壓源和1個(gè)輸出滿(mǎn)度調節。只有4條輸出信號線(xiàn)：模擬RGB信號采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅動(dòng)75 Ω同軸傳輸線(xiàn)；同步參考電流輸出信號Isync用來(lái)在綠視頻模擬信號中編碼視頻同步信息。

2 VGA接口電路設計

如前所述，VGA接口的時(shí)序和LCD掃描式接口的時(shí)序是一致的，利用ADV7120組成的TFT液晶時(shí)序到VGA接口的轉換模塊結構框圖如圖3所示。

圖3 VGA接口電路組成框圖

根據ADV7120的數據手冊，ADV7120對參考電平的要求度很高，不能以電阻分壓電路代替。本設計中采用了1.235 V電壓基準芯片AD589來(lái)產(chǎn)生參考電壓。

3 VGA顯示模式的選擇及S3C2440 LCD controller中相應控制寄存器的設置

最初VGA的顯示包含幾種模式，最初VGA的分辨率被定義為640x480，接著(zhù)更高分辨率的SVGA、XVGA等標準在此基礎上被提出，接口上都兼容VGA標準，所以，習慣上把所有這種接口都稱(chēng)為VGA接口。不同的顯示模式對應的VGA時(shí)序中的時(shí)間參數不同，選定一種顯示模式后，就要配置LCD控制器，使其產(chǎn)生的時(shí)序參數符合VGA模式的要求，這樣才能成功驅動(dòng)VGA接口，否則VGA顯示端會(huì )閃爍、模糊甚至不顯示。

在這里選擇分辨率為640x480、刷新頻率為60 Hz、16位彩色的VGA顯示模式，并在此模式下完成對LCD控制器相關(guān)寄存器的配置。使LCD控制器輸出的時(shí)序邏輯能符合該模式下VGA顯示的要求。在該模式下VGA接口同步信號時(shí)序如圖4所示。

圖4 VGA接口同步信號時(shí)序

下面根據圖4的VGA接口同步信號時(shí)序對主要的LCD控制器中的控制寄存器進(jìn)行配置：

1）LCDCON1寄存器

CLKVAL：確定VCLK頻率的參數。公式為VCLK-HCLK/［（CLKVAL+1）x2］。在本設計中S3C2440的HCLK=100 MHz，顯示屏需要VCLK=20MHz，故需設置CLKVAL=1.

BPPMODE：確定BPP（每像素位散）。選擇BPPMODE=0xC，即選擇TFT 16位模式。

2）LCDCON2寄存器

VBPD：確定幀同步信號和幀數據傳輸前的時(shí)延，是幀數據傳輸前延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，參照圖4中的時(shí)間數據可知，VBPD=t3/t6=1.02 ms/31.77 μs=32.

LINEVAL：確定顯示的垂直方向大小。公式：LINEVAL=YSIZE-1=479.

VFPD：確定幀數據傳輸完成后到下一幀同步信號到來(lái)的一段延時(shí)，是幀數據傳輸后延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，參照圖4中的時(shí)間數據可知，VFPD=t5/t6=0.35 ms/31.77μs=11.

VSPW：確定幀同步時(shí)鐘脈沖寬度，是幀同步信號時(shí)鐘寬度和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值。如圖4，VSPW=t2/t6=0.06 ms/31.77 μs=2.

3）LCDCON3寄存器

HBPD：確定行同步信號和行數據傳輸前的一段延時(shí)，描述行數據傳輸前延遲時(shí)間內VCLK脈沖個(gè)數，如圖4，VBPD=t7xVCLK=1.89 μsx25 MHz=47.

HOZAL：確定顯示的水平方向尺寸。這里HOZAL=XSIZE-1=639.

HFPD：確定行數據傳輸完成后到下一行同步信號到來(lái)的一段延遲時(shí)間，描述行數據傳輸后延遲時(shí)間內VCLK脈沖個(gè)數，如圖4，HFPD=t9xVC LK=0.94 μsx25 MHz=24.

4）LCDCON4寄存器

HSPW：確定行同步時(shí)鐘脈沖寬度。描述行同步脈沖寬度時(shí)間內VCLK脈沖個(gè)數，如圖4，HSPW=3.77 μsx25 MHz=94.

5）LCDCON5寄存器

BPP24BL：確定數據存儲格式。此處設置BPP24BL=0x0，即選擇小端模式存放

FRM565：確定16位數據輸出格式。設置FRM565=0x1，即選擇5:6：5的輸出格式。

通過(guò)如上的方式設計VGA接口電路并相應的設置LCD控制器寄存器，實(shí)現了LCD數字輸出與D/A轉換的無(wú)縫連接，不需要任何額外的驅動(dòng)程序就可以將原來(lái)在LCD上輸出的圖像信息輸出到VGA顯示屏上。

4 測試與結論

本設計通過(guò)分析VGA接口時(shí)序與S3C2440TFT LCD接口時(shí)序的相同點(diǎn)，論證了用S3C2440自帶的LCD controler來(lái)驅動(dòng)VGA顯示器的可行性，時(shí)序的匹配是本設計成功最關(guān)鍵的地方，在滿(mǎn)足接口時(shí)序要求的前提下，用高速三路8位視頻D/A芯片將LCD接口的數字RGB信號轉換成VGA接口所需要的模擬信號。實(shí)驗證明，圖像信息通過(guò)VGA轉換電路，在顯示屏上顯示良好，無(wú)明顯抖動(dòng)，滿(mǎn)足普通的顯示要求。由于主機采用ARM嵌入式微處理器，與傳統X86主機相比，大大降低了整機系統的成本。這種廉價(jià)、簡(jiǎn)單的顯示方案可以廣泛應用到各種對顯示效果要求不高但要求大尺寸屏幕的場(chǎng)合.