基于DSP的彩色TFT-LCD數字圖像顯示技術(shù)研究

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式圖像系統廣泛應用于辦公設備、制造和流程設計、醫療、監控、衛生設備、交通運輸、通信、金融銀行系統和各種信息家電中。所謂嵌入式圖像系統，指以圖像應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟件、硬件可裁減，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式圖像系統對圖像顯示技術(shù)提出了各種嚴格要求，必須選擇合適的顯示器，設計出合理的顯示控制方法。

　　系統硬件設計

　　本系統要構建一個(gè)嵌入式、高速、低功耗、低成本的圖像顯示硬件平臺，要求能真彩顯示靜態(tài)或動(dòng)態(tài)彩色圖像。為達到真彩和無(wú)拖影的顯示動(dòng)態(tài)圖像，同時(shí)兼顧低功耗的要求，采用SHARP(夏普)公司的LQ057Q3DC02彩色TFT-LCD作為顯示器；為了能達到實(shí)時(shí)圖像處理和顯示，采用德州儀器(TI)公司高性能DSP TMS320C6711作為主處理器；DSP與TFT-LCD之間的數據接口以及TFT-LCD的驅動(dòng)控制由CPLD ispMACH4064V和高速大容量FIFO AL422B完成。系統硬件框圖如圖1所示。

　                   　圖1 系統硬件框圖

　　1 TFT-LCD驅動(dòng)控制硬件設計

　　由圖1和圖2可知，CPLD驅動(dòng)控制TFT-LCD顯示圖像，要產(chǎn)生三個(gè)時(shí)鐘信號：數據移位時(shí)鐘(CLK)、行同步時(shí)鐘(Hsync)和幀同步時(shí)鐘(Vsync)，并通過(guò)18位并行數據總線(xiàn)(R0～R5，G0～G5，B0～B5)，與時(shí)鐘信號同步寫(xiě)入待顯示的圖像數據(D0～D17)。

　　                       圖2 LQ057Q3DC02內部結構圖

　　CPLD驅動(dòng)控制TFT-LCD的硬件電路如圖3所示。

　　2 存儲器設計

　　為了盡少占用CPU資源，使CPU有更多的時(shí)間進(jìn)行圖像采集和處理，在CPU輸出圖像到TFT-LCD顯示器的過(guò)程中間要進(jìn)行數據緩沖存儲。CPU定期將數據高速輸出到緩存，顯示平臺再根據TFT-LCD的驅動(dòng)時(shí)序讀出數據進(jìn)行顯示。CPU輸出數據的速度大于顯示平臺的讀取速度，對緩存來(lái)說(shuō)是一個(gè)高速寫(xiě)入、慢速讀出的過(guò)程。CPU以40ms為周期定期輸出數據，而顯示平臺是連續不斷的讀出數據進(jìn)行顯示的，因此緩存的寫(xiě)入和讀出過(guò)程是并發(fā)進(jìn)行的。

　               　圖3 CPLD驅動(dòng)控制TFT-LCD硬件電路圖

　　本系統采用AVERLOGIC公司的基于DRAM的大容量FIFO AL422B作為高速緩沖存儲器。AL422B工作電壓3.3V，可承受5V信號電壓，最高訪(fǎng)問(wèn)速度為50MHz，容量為384Kb，而系統要顯示的圖像每幀有225Kb，因此AL422B可以很好的滿(mǎn)足高速、大容量和低成本的系統要求。AL422B沒(méi)有空、半滿(mǎn)和全滿(mǎn)等狀態(tài)標志，個(gè)弱點(diǎn)給系統硬件設計和控制帶來(lái)一定難度。

　　AL422B是同步FIFO，有讀時(shí)鐘(RCK)和寫(xiě)時(shí)鐘(WCK)兩路時(shí)鐘信號。AL422B采用DRAM為存儲介質(zhì)，需要定時(shí)刷新片內數據。芯片自動(dòng)選擇頻率較高的時(shí)鐘信號作為DRAM的刷新時(shí)鐘，要求器件工作時(shí)至少要有一路時(shí)鐘信號的頻率不能低于1MHz。AL422B的功能框圖如圖4所示。

　　                      圖4 AL422B功能框圖

　　3 DSP接口設計

　　實(shí)時(shí)數字圖像處理指的是在給定的時(shí)間間隔內對外部輸入的數字圖像完成指定的處理，從圖像輸入到處理完畢輸出結果的時(shí)間延遲要小于圖像數據的更新速率。若對一個(gè)每幀320×240×18位，25f/s的圖像信號，其數據率為   5.5Mb/s，為達到實(shí)時(shí)性，處理器的處理速率就必須大于5.5Mb/s，即系統在40ms內完成對一幀圖像的所有操作，包括圖像采集、存儲、傳輸、處理和顯示等。圖像采集速率由圖像傳感器例如CCD決定，而圖像數據的存儲、傳輸、處理和顯示都是取決于CPU的性能。一般器件不能滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)要求，因此本系統采用TI(美德州儀器)公司高性能通用DSPTMS320C6711作為系統的主CPU。

　　在本系統中，使用TMS320C6711的EMIF口的8位異步方式與CPLD一起定時(shí)刷新外部同步FIFOAL422B，接口電路如圖5所示。

　                　圖5 TMS320C6711與FIFOAL422B接口電路

　　DSP6711為AL422B提供寫(xiě)復位信號(/WRST)和寫(xiě)使能信號(/WE)。CPLD根據DSP6711提供的外存使能信號(/CE)和寫(xiě)使能信號(/AWE)，為AL422B提供寫(xiě)同步時(shí)鐘(WCK)。DSP6711通過(guò)數據總線(xiàn)ED[5:0]將圖像數據寫(xiě)入AL422B的內部存儲單元。

　　4 CPLD設計

　　本系統使用ispMACH4064V(簡(jiǎn)稱(chēng)4064V)作為顯示平臺的主控邏輯器件。4064V是一款工作在3.3V的新一帶CPLD芯片，I/O口兼容5V TTL電平，主要性能數如表1所示。

　　ispMACH4064V是實(shí)現TFT-LCD、FIFO和DSP的EMIF口三個(gè)器件邏輯功能時(shí)序的核心器件，為了實(shí)現各時(shí)序之間的嚴格同步，使用一個(gè)外部時(shí)鐘參考源輸入到ispMACH4064V，ispMACH4064V內部所有的信號都是以這個(gè)時(shí)鐘為基準的。

　　系統總流程

　　TFT-LCD彩色數字圖像顯示平臺的三個(gè)關(guān)鍵器件，分別是DSP、FIFO和CPLD。DSP通過(guò)EMIF口定期將圖像數據寫(xiě)入FIFO；CPLD并行的不斷讀取FIFO內的圖像數據，驅動(dòng)TFT-LCD顯示動(dòng)態(tài)或靜態(tài)彩色數字圖像。DSP寫(xiě)FIFO的速度高達25MHz，TFT-LCD刷新時(shí)鐘為6MHz，CPLD讀FIFO的速度應大于3倍的TFT-LCD刷新時(shí)鐘，取24MHz。各器件之間的時(shí)序必須嚴格匹配，才能正常顯示圖像。本系統使用Lattice公司的CPLD ispMACH4064V，產(chǎn)生TFT-LCD的驅動(dòng)時(shí)序和FIFO的讀時(shí)序，并配合DSP的EMIF口形成FIFO的寫(xiě)時(shí)序。系統時(shí)序設計是數字圖像顯示技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，也是最困難的部分。

　　系統上電后復位CPLD、FIFO和TFT-LCD，DSP定時(shí)向FIFO寫(xiě)入圖像數據，CPLD并行的讀FIFO，同時(shí)驅動(dòng)TFT-LCD逐像素顯示圖像，系統總流程如圖6所示。

　　                  圖6系統總流程圖

　　本系統采用VHDL語(yǔ)言對CPLD要實(shí)現的功能進(jìn)行行為描述，用Synthesis軟件對VHDL源代碼進(jìn)行語(yǔ)法檢查和邏輯綜合后，在ispLEVER3.0環(huán)境下對ispMACH4064V進(jìn)行功能仿真、時(shí)序仿真、引腳I/O設置和分配，最后將生成的JEDEC文件用下載電纜寫(xiě)入CPLD，生成實(shí)際的數字邏輯。

　　基于圖像處理系統的性能分析

　　圖像處理完畢后，需要顯示給進(jìn)行觀(guān)察和評價(jià)。人的視覺(jué)系統對色彩非常敏感，圖像顯示的色彩必須達到或超過(guò)人的分辨能力，才不致于丟失有用的圖像信息。圖像處理系統的圖像顯示必須達到真彩(18位色)顯示。為達到嵌入式數字圖像處理系統實(shí)時(shí)性要求，圖像顯示模塊要盡少占用DSP資源，同時(shí)真彩顯示意味著(zhù)更大的數據吞吐量，這些都要求圖像顯示模塊要有更快的處理速度。

　　本系統中，一幀圖像共有320×240×3＝225Kb，DSP采用8位異步模式以25Mb/s的速率向FIFOAL422B寫(xiě)入圖像數據，寫(xiě)一幀圖像需9ms。若DSP以40ms為間隔刷新AL422B的圖像數據，就可以實(shí)現平滑動(dòng)態(tài)顯示真彩數字圖像。這樣的數據吞吐速度可以很好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　與市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品的比較：國內外市場(chǎng)上控制彩色TFT-LCD一般采用ARM等帶TFT-LCD接口的MCU，或直接使用專(zhuān)用IC，甚至使用工控機來(lái)實(shí)現，這些方案都難以滿(mǎn)足嵌入式系統對成本和功耗的要求。國內市場(chǎng)上，有少數幾家公司采用可編程器件+存儲器的技術(shù)開(kāi)發(fā)出實(shí)用產(chǎn)品，大部分采用SRAM作為圖像數據存儲器。由于要進(jìn)行復雜的讀寫(xiě)端口切換，這類(lèi)產(chǎn)品一般采用高檔可編程器件，同時(shí)降低圖像顯示品質(zhì)，無(wú)法真彩顯示，無(wú)法平滑地顯示動(dòng)態(tài)圖像。而本課題實(shí)現了18位真彩顯示，每秒25幀圖像，動(dòng)態(tài)圖像可以平滑地顯示，而且成本只有40元人民幣，大大提高了產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比。

　　結語(yǔ)

　　本文提出了一種基于DSP的彩色TFT-LCD數字圖像顯示解決方案，采用高性能DSP和基于DRAM的新型大容量FIFO存儲器，用CPLD實(shí)現了驅動(dòng)TFT-LCD以及與DSP數據接口的所有時(shí)序。與市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品相比，本系統大大提高了圖像顯示品質(zhì)和顯示速度，降低了系統的功耗和成本，在嵌入式圖像系統中有廣泛的應用前景。