基于A(yíng)RM的TFT-LCD顯示控制

1、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用論文基于A(yíng)RM的TFT-LCD顯示控制 所屬學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 控制理論與控制工程班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 2014011044 姓 名 指導(dǎo)教師 GXKEDX基于A(yíng)RM的TFT-LCD顯示控制YHL（電氣與信息工程學(xué)院，雙研2014，20141101044）摘要：隨著液晶顯示技術(shù)的發(fā)展，我們的日常生活中出現(xiàn)了各種各樣功能強(qiáng)大的顯示系統(tǒng)。本文首先對(duì)ARM進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，以液晶顯示技術(shù)的基本原理為理論基礎(chǔ)，探索分析了S3C2410內(nèi)部的LCD控制器以及 ARM 系統(tǒng)與TFT-LCD 接口連接，最后介紹了TFT-LCD 驅(qū)動(dòng)程序及顯示。關(guān)鍵詞：ARM；液晶顯示 ；TFT-LCD

2、Abstract：With the development of LCD technology,There are various powerful display system in our everyday life.This article has carried on the simple outline to ARM firstly,based on the theory of the basic principle of liquid crystal display technology.The LCD controller and ARM interface in S3C2410

3、 system are explored and analyzed.Finally, the TFT-LCD driver and display are introduced.Key words: ARM; LCD; TFT-LCD一ARM概述1.1 ARM基本介紹ARM(Advanced RISC Machine)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。ARM公司是32位嵌入式RISC微處理器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，自從1990年創(chuàng)辦公司以來(lái)，基于A(yíng)RM技術(shù)IP核的微處理器的銷(xiāo)售量已經(jīng)超過(guò)100億。ARM公司作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生

4、產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買(mǎi)其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。1.2 ARM處理器的特性ARM處理器的三大特點(diǎn)是：耗電少功能強(qiáng)、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。ARM商品模式的強(qiáng)大之處在于它在世界范圍有超過(guò)100個(gè)的合作伙伴(Partners）。當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充

5、包括：Thumb16位指令集，為了改善代碼密度；DSPDSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；Jazeller允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼。ARM處理器系列提供的解決方案有：無(wú)線(xiàn)、消費(fèi)類(lèi)電子和圖像應(yīng)用的開(kāi)放平臺(tái)；存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來(lái)講存儲(chǔ)器比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。ARM的Jazelle技術(shù)使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80。CPU功能上增加DSP指令集提供增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，

6、提高了性能和靈活性。ARM還提供兩個(gè)前沿特性來(lái)輔助帶深嵌入處理器的高集成SoC器件的調(diào)試，它們是嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核(ETMS)系列。1 TFT-LCD 液晶顯示 2.1 LCD基本原理液晶，是一種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)既不同于固態(tài)、液態(tài)，又不同于氣態(tài)的特殊物質(zhì)態(tài)，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性，又具有液體的流動(dòng)性。一般可分熱致液晶和溶致液晶兩類(lèi)。在顯示應(yīng)用領(lǐng)域，使用的是熱致液晶，超出一定溫度范圍，熱致液晶就不再呈現(xiàn)液晶態(tài)，溫度低了，出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，溫度升高了，就變成液體;液晶顯示器件所標(biāo)注的存儲(chǔ)溫度指的就是呈現(xiàn)液晶態(tài)的溫度范圍。利用液晶分子受到電壓的影響而改變其分子的排

7、列狀態(tài)，并且可以讓入射光線(xiàn)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象之原理，制造出的使用液晶顯示的屏幕就是液晶顯示器，英文稱(chēng) LCD（Liquid Crystal Display）。在LCD 顯示器中，顯示面板薄膜被分成很多小柵格，每個(gè)小柵格有一個(gè)電極控制，通過(guò)改變柵格上的電極就能控制格內(nèi)液晶分子的排列，從而控制光路的導(dǎo)通。彩色顯示通過(guò)利用三種原色混合的原理顯示不同的色彩：彩色面板中，每個(gè)像素都是有三個(gè)液晶單元格構(gòu)成的，其中每個(gè)單元格前面都分別有紅色，綠色或藍(lán)色的過(guò)濾片;光線(xiàn)經(jīng)過(guò)過(guò)濾片的處理變成紅色，藍(lán)色或則綠色，利用三原色的原理組合出不同的色彩。2.2TFT-LCD 結(jié)構(gòu)TFT型LCD在STN型LCD的基礎(chǔ)上，增加了一

8、層薄膜晶體管（TFT）陣列，每一個(gè)像素都對(duì)應(yīng)一個(gè)薄膜晶體管，像素控制電壓直接加在這個(gè)晶體管上，再通過(guò)晶體管去控制液晶的狀態(tài)，控制光線(xiàn)通過(guò)與否。TFT型LCD的每個(gè)像素都相對(duì)獨(dú)立，可直接控制，單元之間的電干擾很小，可以使用大電流，提供更好的對(duì)比度、更銳利和更明亮的圖像，而不會(huì)產(chǎn)生虛影和拖尾現(xiàn)象，同時(shí)也可以非常精確的控制灰度。TFT型LCD的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1：TFT型LCD的結(jié)構(gòu)TFT的作用是用來(lái)主動(dòng)控制每一個(gè)像素的器件，這樣就相當(dāng)于在每一個(gè)像素點(diǎn)上設(shè)計(jì)了一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管。多個(gè)TFT構(gòu)成一個(gè)TFT液晶板，如下圖所示。因此，TFT型LCD容易實(shí)現(xiàn)真彩色和高分辨率。圖2：TFT液晶板TFT型LCD

9、響應(yīng)快、顯示品質(zhì)好，適用于大型動(dòng)畫(huà)顯示，被廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、計(jì)算機(jī)顯示器、液晶電視、液晶投影機(jī)及各式大型電子顯示器等產(chǎn)品。近年來(lái)也在手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等手持類(lèi)設(shè)備廣泛應(yīng)用。2.3 TFT-LCD電路原理在TFT型LCD中使用的TFT是一個(gè)三端器件，其功能就是一個(gè)開(kāi)關(guān)管。在TFT型LCD的玻璃基板上制作半導(dǎo)體層，在兩端有與之相連接的源極和漏極，并通過(guò)柵極絕緣膜與半導(dǎo)體相對(duì)應(yīng)，利用施加于柵極的電壓來(lái)控制源、漏電極間的電流。顯示屏上的每個(gè)像素從結(jié)構(gòu)上可以看作為像素電極和公用電極之間夾有一層液晶，從電學(xué)的角度可以把它看作電容。其等效電路如下圖所示。其工作原理是：要對(duì)j行i列的像素點(diǎn)

10、戶(hù)(i、j)充電，就要把開(kāi)關(guān)K(i，j)導(dǎo)通，對(duì)信號(hào)線(xiàn)D(i)施加目標(biāo)電壓，使數(shù)據(jù)線(xiàn)G(j)的數(shù)據(jù)信號(hào)加到像素P點(diǎn)。當(dāng)像素電極被充分充電后，即使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電容中的電荷也得到保存，電極間的液晶分子繼續(xù)有電場(chǎng)作用。數(shù)據(jù)線(xiàn)的作用是對(duì)信號(hào)線(xiàn)施加目標(biāo)電壓，而行驅(qū)動(dòng)器的作用是起開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)作用。由于加在液晶上的電壓可以存儲(chǔ)，因此液晶層能穩(wěn)定的工作。圖3：像素結(jié)構(gòu)等效電路2.4 彩色形成原理TFT型LCD中的紅、綠、藍(lán)三原色是由彩色濾光片產(chǎn)生的。彩色濾光片是由紅、綠、藍(lán)三種顏色的濾片，有規(guī)律地制作在一塊大玻璃基板上，每個(gè)像素（點(diǎn)）是由三種顏色的單元或稱(chēng)為子像素所組成。如下圖所示為彩色濾光片排列圖，每個(gè)子

11、像素的左上角（灰色矩形）為不透光的TFT。圖4：彩色濾光片排列圖子像素?cái)?shù)量的多少與分辨率有關(guān)，一塊面板的分辨率為12801024像素，則它實(shí)際擁有38401024個(gè)晶體管及子像素。一臺(tái)15.1in（英寸）的LCD（分辨率為1024768像素）其點(diǎn)距為0.0118in(約為0.3mm)：而18.1in的LCD（分辨率為12801024像素）其點(diǎn)距為0.01in(0.25mm)。所以，顯示器的點(diǎn)距越小，分辨率也就越高。但由于顯示器的可視面積有限，點(diǎn)距太小勢(shì)必降低透光率，因此不可無(wú)限量地?cái)U(kuò)展分辨率。2.5影像產(chǎn)生原理TFT型LCD顯示屏的結(jié)構(gòu)與TN型LCD顯示屏大致相同，也采用兩層玻璃基板之間填充液

12、晶分子的設(shè)計(jì)，但由于兩者結(jié)構(gòu)不完全一樣，因此其影像產(chǎn)生原理存在一定的區(qū)別。簡(jiǎn)單地講，TFT型LCD面板上的像素都是獨(dú)立的，為了讓每一個(gè)獨(dú)立的像素都能產(chǎn)生色彩，必須使用多個(gè)冷陰極燈管當(dāng)作背光源。而要讓光通過(guò)每一個(gè)像素，又必須使用液晶器件來(lái)調(diào)節(jié)屏幕的光線(xiàn)。液晶分子可以改變它的分子結(jié)構(gòu)，因此可以讓不同程度的光量通過(guò)它本身，也可完全阻斷光線(xiàn)。在液晶顯示屏里設(shè)置有兩片偏極片、彩色濾光片陣列及配向膜，它們可以決定光通量與顏色的產(chǎn)生。液晶層位于兩片玻璃板之間，由于液晶分子具有扭曲的特點(diǎn)，當(dāng)施以電壓給取向?qū)訒r(shí)，則產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，使取向?qū)咏缑娴囊壕С骋粋€(gè)方向排列。液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)使屏幕光線(xiàn)產(chǎn)生變化的原理是：當(dāng)液

13、晶分子不施加電壓時(shí)，液晶維持在它的初始狀態(tài)，會(huì)把入射光的方向扭轉(zhuǎn)90，因此可以讓背光源的入射光通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)，呈亮的狀態(tài)；當(dāng)液晶層施以某一電壓差時(shí)，液晶分子會(huì)改變它的初始位，使液晶的排列方向不扭轉(zhuǎn)，而不改變光的極化方向，因此經(jīng)過(guò)液晶的光會(huì)被第二層偏極片吸收而使整個(gè)結(jié)構(gòu)不透光，呈暗的狀態(tài)。TFT型LCD的前面板設(shè)置了一個(gè)彩色濾光片，每個(gè)像素上制作紅、綠、藍(lán)三色。同時(shí)，顯示器在制作時(shí)，對(duì)基板內(nèi)側(cè)進(jìn)行了取向處理，使液晶分子的排列產(chǎn)生希望的形變來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的顯示模式。在電場(chǎng)的作用下，液晶分子產(chǎn)生取向變化，并通過(guò)偏振片的配合，使入射光在通過(guò)液晶層后強(qiáng)度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)圖像顯示。三TFT-LCD 控制器3.

14、1 S3C2410的LCD控制器要使LCD 屏顯示圖像，不但需要LCD 驅(qū)動(dòng)器，還需要有相應(yīng)的LCD 控制器。通常LCD 驅(qū)動(dòng)器會(huì)以COF/COG 的形式與LCD 玻璃基板制作在一起，而LCD 控制器則有外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。LCD 控制器可以通過(guò)編程選擇支持不同的LCD 屏的要求，例如行和列像素，數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度，接口時(shí)序和刷新頻率。LCD 控制器的主要作用就是，將定位于系統(tǒng)存儲(chǔ)器的顯示緩沖區(qū)的LCD 圖象數(shù)據(jù)傳送到外部LCD 驅(qū)動(dòng)器。S3C2410 內(nèi)部已經(jīng)集成了LCD 控制器，因此可以很方便地去控制各種類(lèi)型的LCD屏，例如：STN 和TFT 屏。它還支持多種LCD 顯示模式，比如單色，灰度，偽彩色

15、或真彩色等，并提供虛擬屏功能，大圖片在顯示的時(shí)候可以上下左右移動(dòng)。還帶有查色表（調(diào)色板）功能。這個(gè)功能可以在LCD 顯示器上顯示最接近原始圖顏色特征的圖片。ARM 芯片連接不同的LCD 顯示設(shè)備時(shí)，需要通過(guò)設(shè)置控制寄存器來(lái)調(diào)整顯示狀態(tài)，以便正常顯示。因此，對(duì)LCD 控制器的控制實(shí)際上轉(zhuǎn)換成對(duì)映射到內(nèi)存空間的寄存器值的控制。由于TFT 屏將是今后應(yīng)用的主流，因此接下來(lái)，重點(diǎn)圍繞TFT 屏的控制來(lái)進(jìn)行。S3C2410內(nèi)部的LCD控制器框圖：圖5：S3C2410內(nèi)部LCD 控制器邏輯示意圖S3C2410的LCD控制器是用于傳輸視頻信號(hào)，并產(chǎn)生必需的控制VFRAME,VLINE，VCLK,VM等等。除

16、了這些控制信號(hào)外，S3C2410的LCD控制器還有視頻數(shù)據(jù)的端VD23:0。LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、LPC3600、VIDPRCS組成。REGBANK有17個(gè)可編程的寄存器，以及用于配置LCD控制器的256*16調(diào)色板內(nèi)存。LCDCDMA是一個(gè)專(zhuān)用的DMA，用于將顯示內(nèi)存中的視頻數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)到LCD驅(qū)動(dòng)器。VIDPRCS接收來(lái)自DMA的視頻數(shù)據(jù)，將他們轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)據(jù)格式，例如4位單掃描，8位單掃描，4位雙掃描等。然后通過(guò)端口VD23:0發(fā)送給LCD驅(qū)動(dòng)器。TIMEGEN產(chǎn)生各種不同時(shí)序要求的時(shí)鐘信號(hào)。TIMEGEN產(chǎn)生VFRAME，VLINE，VCLK，以

17、及VM等信號(hào)。數(shù)據(jù)流程如下所述：FIFO內(nèi)存存在于LCDCDMA中。當(dāng)FIFO空了或部分空了的時(shí)候，F(xiàn)IFO請(qǐng)求從幀內(nèi)存中取數(shù)據(jù)，一次取4個(gè)字，即16字節(jié)。當(dāng)傳輸請(qǐng)求被總線(xiàn)仲裁接受后，將有連續(xù)的4個(gè)字的數(shù)據(jù)從系統(tǒng)內(nèi)存發(fā)送到內(nèi)部FIFO。整個(gè)FIFO大小為28個(gè)字，由12個(gè)字的FIFOL和16個(gè)字的FIFOH組成。S3C2410有2個(gè)FIFO以支持雙掃描顯示模式。如果是單掃描模式，只有一個(gè)FIFO（FIFOH）可以用。3.2 ARM 系統(tǒng)與TFT-LCD 接口連接在同一系列的ARM 處理器中，S3C2410 在LCD 驅(qū)動(dòng)方面可謂獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，特別在TFT-LCD方面：支持彩色TFT 的1，2，4

18、或8bbp 調(diào)色顯示；支持16bbp無(wú)調(diào)色真彩顯示；在24bbp 模式下支持最大16M 色TFT；支持多種不同尺寸的TFT 液晶屏；最大虛擬屏幕大小4M 字節(jié)；64K 色彩模式下最大的虛擬尺寸為20481024 及其他。16位RGB（5:6:5）的模式，TFT-LCD與ARM系統(tǒng)S3C2410的硬件接口連接如圖:圖6：硬件接口連接示意圖四：TFT-LCD 驅(qū)動(dòng)程序及顯示4.1 TFT-LCD 驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序如下圖中VSYNC 是幀同步信號(hào)，VSYNC 每發(fā)出1個(gè)脈沖，都意味著新的1屏視頻資料開(kāi)始發(fā)送。而HSYNC 為行同步信號(hào)，每個(gè)HSYNC 脈沖都表明新的1 行視頻資料開(kāi)始發(fā)送。而VDEN(V

19、M)則用來(lái)標(biāo)明視頻資料的有效，VCLK 是用來(lái)鎖存視頻資料的像數(shù)時(shí)鐘。并且在幀同步以及行同步的頭尾都必須留有回掃時(shí)間，例如對(duì)于VSYNC 來(lái)說(shuō)前回掃時(shí)間就是（VSPW+1）（VBPD+1），后回掃時(shí)間就是（VFPD +1）；HSYNC 亦類(lèi)同。這樣的時(shí)序要求是當(dāng)初CRT 顯示器由于電子槍偏轉(zhuǎn)需要時(shí)間，但后來(lái)成了實(shí)際上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，乃至于后來(lái)出現(xiàn)的TFT 屏為了在時(shí)序上與CRT 兼容，也采用了這樣的控制時(shí)序。VSPW: 垂直同步信號(hào)的脈寬，VBPD: 垂直同步信號(hào)的后肩，VFPD: 垂直同步信號(hào)的前肩，HSPW: 水平同步信號(hào)的脈寬，HBPD: 水平同步信號(hào)的后肩，HFPD: 水平同步信號(hào)的前肩圖

20、7：驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序圖4.2 TFT-LCD 驅(qū)動(dòng)核心程序/*系統(tǒng)主函數(shù)*/#include def.h#include 2410addr.h#include config.h#include board.h#include utils.hextern void Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_Test( void );extern void LcdBkLtSet(U32 HiRatio);extern void Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_Init(void);void Main(void) BoardInitStart();SystemClockInit();Timer

21、Init(TIMER_FREQ);MemCfgInit();PortInit();SerialSwitch(0);SerialChgBaud(115200);printf(S3C2410 TouchPanel Test!n);while( 1 )printf(please enter any key to run testn);getch();Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_Init(); LcdBkLtSet(70); Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_Test();/*The initial and control for TFT LCD-LCD*/#include de

22、f.h#include 2410addr.h#include board.h#include 2410slib.h#include LCD_LTS350Q1_PE1.hextern void printf(char *f, .) ;extern unsigned char xyx_240_320;/寬240，高320#defineFRAME_BUFFER_ADDR0x33700000/0x33fd0000U16 *LCD_BUFER = (U16 *)FRAME_BUFFER_ADDR;/*320240 16Bpp TFT LCD數(shù)據(jù)和控制端口初始化*/void Lcd_Port_Init(v

23、oid) rGPCUP=0xffffffff; / Disable Pull-up register rGPCCON=0xaaaa56a9/InitializeVD7:0,LCDVF2:0,VM,VFRAME,VLINE,VCLK,LEND rGPDUP=0xffffffff; / Disable Pull-up register rGPDCON=0xaaaaaaaa; /Initialize VD15:8/*320240 16Bpp TFT LCD功能模塊初始化*/void Lcd_Init(void)rLCDCON1=(CLKVAL_TFT_2403208)|(MVAL_USED7)|(3

24、5)|(121)|0; / TFT LCD panel,12bpp TFT,ENVID=offrLCDCON2=(VBPD_24032024)|(LINEVAL_TFT_24032014)|(VFPD_2403206)|(VSPW_240320);rLCDCON3=(HBPD_24032019)|(HOZVAL_TFT_2403208)|(HFPD_240320);rLCDCON4=(MVAL8)|(HSPW_240320);rLCDCON5=(111)|(09)|(08)|(06)|(BSWP22)1);rLCDSADDR2=M5D( (U32)LCD_BUFER+(SCR_XSIZE_TF

25、T_240320*LCD_YSIZE_TFT_240320*2)1 );rLCDSADDR3=(SCR_XSIZE_TFT_240320-LCD_XSIZE_TFT_240320)/1)11)|(LCD_XSIZE_TFT_240320/1);rLCDINTMSK|=(3); / MASK LCD Sub InterruptrLPCSEL&=(7); / Disable LPC3600rTPAL=0; / Disable Temp Palette/*背光控制*/void LcdBkLtSet(U32 HiRatio)#define FREQ_PWM11000if(!HiRatio)rGPBCO

26、N = rGPBCON & (32) | (12) ;/GPB1設(shè)置為outputrGPBDAT &= (11);return;rGPBCON = rGPBCON & (32) | (2 100 )HiRatio = 100 ;rTCON = rTCON & (0xf4 )/FREQ_PWM1;/if set inverter off, when TCNT2TCMP2, TOUT is lowrTCMPB1 = ( rTCNTB1*(100-HiRatio)/100 ;/if set inverter on, when TCNT2TCMP2, TOUT is highrTCON = rTCON & (0xf8) | (0x0e8) ;/自動(dòng)重裝,輸出取反關(guān)閉,更新TCNTBn、TCMPBn,死區(qū)控制器關(guān)閉rTCON = rTCON & (0xf8) | (0x0d8) ;/開(kāi)啟背光控制/*320240 8Bpp TFT LCD 顏色初始化*/void Lcd_Palette_Init(void) unsigned char cdata, p_red, p_green, p_blue; U32 *pa