基于SAlll0微處理器的掌上電腦液晶顯示器的設計與實(shí)現
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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。在操作系統領(lǐng)域，除了部分采用Linux和自行開(kāi)發(fā)的操作系統外，大部分產(chǎn)品采用Palm OS、Windows CE和EPOC操作系統。
為了在掌上電腦這一嵌入式系統的主要應用領(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)具有民族自主知識產(chǎn)權的掌上電腦。這就需要選好和開(kāi)發(fā)出自己的硬件平臺；同時(shí)還要開(kāi)發(fā)自己的嵌入式Linux操作系統；在硬件平臺和操作系統之上，再開(kāi)發(fā)各種具體的應用程序，以滿(mǎn)足特定用戶(hù)的需求。本文介紹的液晶顯示器的設計是整個(gè)系統設計的重要組成部分。
1硬件電路組成
基于SAlll0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。
2 SAlll0的LCD控制器
SAlll0芯片內部集成了LCD控制器，該控制器有三種顯示類(lèi)型：
無(wú)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(wú)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(xiàn)寬度、象素編碼數據的大小限制了LCD能驅動(dòng)的顯示屏幕的大小。 LCD控制器也支持單屏和雙屏顯示。象素編碼數據存儲在外部存儲器中，LCD的雙通道DMA控制器可根據具體情況把數據裝入一個(gè)5單元(32位長(cháng))的隊列緩沖器中。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。
在幀存儲器中，存儲著(zhù)象素編碼數據。LCD控制器將其用作指針去索引一個(gè)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(lái)自幀存儲器的象素編碼數據(4位)尋址黑白調色板的頂部16單元；8位象素編碼數據可訪(fǎng)問(wèn)調色板中的256單元的任意一個(gè)。在無(wú)源彩色12位象素模式下，彩色象素數據旁路掉彩色調色板并且直接送到：LCD的抖動(dòng)邏輯電路。在有源彩色16位象素模式下，彩色象素數據不僅旁路掉彩色調色板，而且旁路掉LCD的抖動(dòng)邏輯電路，并直接送到LCD的數據管腳。一旦4位或8位的象素編碼數據選定了一個(gè)調色板單元，在這個(gè)單元中被編碼的值就被傳送到抖動(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數據。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(lái)自抖動(dòng)邏輯電路的輸出數據在被輸出到LCD引腳和象素時(shí)鐘驅動(dòng)顯示器之前，被放置在一個(gè)9單元的引腳數據隊列緩沖區內。
根據所使用的顯示屏類(lèi)型，可將LCD控制器編程為4位、8位或16位的象素數據引腳。單屏黑白顯示器在每個(gè)象素時(shí)鐘周期內既可以采用4位也可以采用 8位的數據引腳去輸出4位或8位的象素。單屏彩色顯示器可以采用8位的數據引腳在每個(gè)象素時(shí)鐘周期內去輸出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控制器數據行被分成兩組，一組驅動(dòng)上半屏，另一組驅動(dòng)下半屏。
在此方案中，選擇了無(wú)源彩色模式。在此模式下，SAlll0 LCD控制器的控制過(guò)程如圖2所示。
CPLD PZ3128是Philips公司的專(zhuān)用集成芯片。由于手持設備的液晶顯示屏種類(lèi)繁多，各廠(chǎng)家的標準不一致使SAlll0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據格式及顯示時(shí)序上無(wú)法匹配。因此，對CPLD PZ3128編程，可為不同數據格式的數據接口進(jìn)行映射，為不同類(lèi)型的LCD屏配置專(zhuān)用的ASIC芯片。
SAlll0 LCD控制器由以下引腳組成：
．LDD[0～7]：7位數據線(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；
•GPIO[2～9]：當采用的液晶模塊是16位TFF方式時(shí)，構成數據線(xiàn)的高8位；
•l_PCLK：點(diǎn)時(shí)鐘(Pixel clock)，用于把每一點(diǎn)的數據送人移位寄存器；
•l_LCLK：行時(shí)鐘(Line clock)，用于指示一行數據由移位寄存器到顯示驅動(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；
•l_FCLK：幀時(shí)鐘(Frame clock)，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；
•l_BIAS：在16位TFT方式下，輸出允許信號，用于指示數據信號在時(shí)鐘信號的同步下，鎖存到引腳。
為了顯示一幀圖像，SAlll0 LCD控制器首先在RAM中開(kāi)辟一片緩沖區作為幀緩沖(FRAME BUFFER)。存人要顯示的圖像數據，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中的數據到輸入先人先出隊列(1NPUT FIFO)。由于在本設計中采用16位方式，無(wú)需對幀緩沖中的數據進(jìn)行解碼，所以L(fǎng)CD控制器不處理直接把數據送到輸出先入先出隊列(OUTPUT FIFO)。OUTPUT FIFO再將數據通過(guò)引腳送到CPLD以驅動(dòng)液晶顯示。由于SAlll0的LCD控制器擁有自己獨立的雙通道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
隨著(zhù)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備。特別是TFY-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用較多。
作為SOC芯片的SAlll0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(kāi)發(fā)者的選擇帶來(lái)很大方便。根據用戶(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(dòng)芯片、FPC引線(xiàn)、前置燈光、觸摸屏及后封板組成。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)等級的標準模擬脈沖電壓V0～V9，用于LCD模塊內部產(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確性，對其數值要求精度較高。同時(shí)，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的幅度參數要求如表1。
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