基于SAlll0微處理器的掌上電腦液晶顯示器的設計與實現

　　摘要：對基于SA1110微處理器的掌上電腦液晶顯示器的控制器、接口、顯示原理、驅動方法進行了介紹。結合正在從事的HPC項目，提出了基于SAlll0微處理器的掌上電腦液晶顯示器的設計方案。
　　
　　隨著以網絡為代表的新經濟時代的到來，PC已失去昔日的光采，智能3C產品（Computer、CommunicationandConsumer）將掀起新的一波巨浪。掌上電腦作為智能3C產品的代表之一，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。在操作系統領域，除了部分采用Linux和自行開發的操作系統外，大部分產品采用PalmOS、WindowsCE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具有民族自主知識產權的掌上電腦。這就需要選好和開發出自己的硬件平臺;同時還要開發自己的嵌入式Linux操作系統;在硬件平臺和操作系統之上，再開發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、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、象素編碼數據的大小限制了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，存儲著象素編碼數據。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，彩色象素數據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，彩色象素數據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的數據管腳。一旦4位或8位的象素編碼數據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生輸出到屏幕的象素數據。抖動邏輯促使每一個象素以不同的速率在每一幀上關斷，從而給黑白屏產生15級灰度，為彩色屏幕的紅、綠、藍三基色中的每一種都產生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據在被輸出到LCD引腳和象素時鐘驅動顯示器之前，被放置在一個9單元的引腳數據隊列緩沖區內。
　　
　　根據所使用的顯示屏類型，可將LCD控制器編程為4位、8位或16位的象素數據引腳。單屏黑白顯示器在每個象素時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象素時鐘周期內去輸出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控制器數據行被分成兩組，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，SAlll0LCD控制器的控制過程如圖2所示。　　
　　CPLDPZ3128是Philips公司的集成芯片。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序上無法匹配。因此，對CPLDPZ3128編程，可為不同數據格式的
　　
　　數據接口進行映射，為不同類型的LCD屏配置的ASIC芯片。
　　
　　SAlll0LCD控制器由以下引腳組成：
　　
　　·LDD[0～7]：7位數據線，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TFF方式時，構成數據線的高8位;
　　
　　·l_PCLK：點時鐘（Pixelclock），用于把每一點的數據送人移位寄存器;
　　
　　·l_LCLK：行時鐘（Lineclock），用于指示一行數據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（Frameclock），用于指示一幀圖像的開始，同時把行指針置于顯示屏的*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鐘信號的同步下，鎖存到引腳。
　　
　　為了顯示一幀圖像，SAlll0LCD控制器首先在RAM中開辟一片緩沖區作為幀緩沖（FRAMEBUFFER）。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FRAMEBUFFER的起始地址，讀出FRAMEBUFFER中的數據到輸入先人先出隊列（1NPUTFIFO）。由于在本設計中采用16位方式，無需對幀緩沖中的數據進行解碼，所以LCD控制器不處理直接把數據送到輸出先入先出隊列（OUTPUTFIFO）。OUTPUTFIFO再將數據通過引腳送到CPLD以驅動液晶顯示。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、*、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、高對比度等優點，在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，給的選擇帶來很大方便。根據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，zui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模塊內部產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的幅度參數要求如表1。　　
　　表1中電壓信號的產生先用高精度電阻構成陣列，用電阻分壓法產生基準電壓，再由二選一開關按照LCD顯示的幀頻率進行高速切換，在輸出端就可得到所需的標準模擬脈沖電壓。其中，二選一開關選用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、藍每一種基色6位，即RGB666。但SAlll0的LCD控制器支持16位方式，因此必須把紅、藍的zui低位接地，從而形成5位紅、6位綠、5位藍的RGB565格式。這樣產生的色差非常小。
　　
　　4、觸摸屏
　　
　　通常，供掌上設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）表面裝有一個電阻式觸摸屏，其基本結構如圖5所示，分為X和Y上下兩個極板。　　
　　通過電阻式觸摸屏，可以測得接觸點的位置和壓力。當需要測試X坐標時，首先給X極板的兩端加偏置電壓，然后測試tspy、tsmy之一或全部。它們相當于電位器的滑動端，其測得的電壓值正比于觸點的X坐標。Y坐標的測試同理，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方向的行線性：1.5%;
　　
　　.絕緣電阻大于：20MΩ;
　　
　　.能檢測到的zui小壓力：24g。
　　
　　本設計中所采用的Philips公司的UCBl300不僅可以作為MODEM和音頻模擬前端芯片，而且它的內部集成有觸摸屏控制器，可以一片多用，便于在掌上系統中使用。觸摸屏控制器的功能包括：對觸摸屏的兩層極板間施加偏置電壓，當有點擊動作時，產生中斷信號;同時對點擊處的X和Y方向的模擬電壓信號進行數字量化，得到點擊位置數據，保存在內部寄存器中;再通過MCP接口讀到微處理器中。
　　
　　UCBl300與觸摸屏控制器相關的特征有：
　　
　　（1）完整的四線電阻式（壓感式）觸摸屏接口電路，分別連接觸摸屏的4條信號線tspx、tsmx、tspy和tsmy，可以實現位置、壓力和極板電阻的測量。
　　
　　（2）帶有內部跟蹤保持電路以及模擬多路開關的10位連續逼近型ADC，用于觸摸屏觸點數據的讀出和外電路4個模擬電壓的監視，其中外電路4個模擬電壓監視用于電源管理。
　　
　　（3）內部帶有參考電壓源，為10位ADC提供基準電壓和虛擬地參考。這樣就可以不受電源電壓和溫度變化的影響。
　　
　　（4）4線高速串行接口數據總線，實現與主處理器SAlll0的MCP同步串口通信，有嚴格的數據幀定義。
　　
　　（5）觸摸屏的各種工作模式由UCBl300的內部控制寄存器設置，而這些控制寄存器由SAlll0通過MCP同步串口來讀寫。
　　
　　（6）因為觸摸屏與LCD的近耦合，來自LCD屏的大的尖峰干擾信號會影響觸摸屏的工作，因此觸摸屏控制器內部有4個低通濾波器，用于降低來自LCD的高頻干擾。

        5、結束語
　　
　　盡管目前國內市場上的各種PDA和掌上電腦產品比較多，某些國內的品牌也很，但是在產品設計和制造上，都是靠中國臺灣地區等廠商的OEM，真正自主研究開發的硬件平臺幾乎為零。因此，本項目中掌上電腦硬件平臺系統的研制成功，特別是基于InStrongARMSAlll0高性能CPU的樣機，在國內仍處于地位，并且為同組人員開發嵌入式操作系統和各種應用程序提供了硬件環境。