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基于SA1110的掌上電腦LCD的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：對(duì)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(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了介紹。結(jié)合正在從事的HPC項(xiàng)目，提出了基于SA1110微處理器的掌上電腦液晶顯示器的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：SA1110微處理器 掌上電腦（HPC） 液晶顯示屏（LCD） 觸摸屏（TP）
隨著以網(wǎng)絡(luò)為代表的新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，PC已失去昔日光采，智能3C產(chǎn)品（Computer、Communication and Consumer）將掀起新的一波巨浪。掌上電腦作為智能3C產(chǎn)品的代表之一，以其傳輸迅速、應(yīng)用方便、功能多樣等特點(diǎn)，正成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，深受消費(fèi)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(tǒng)領(lǐng)域，除了部分采用Linux和自行開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)外，大部分產(chǎn)品采用Palm OS、Windows CE和EPOC操作系統(tǒng)。
為了在掌上電腦這一嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域中占有一度之地，清華大學(xué)自動(dòng)系和深圳翔龍公司決定開(kāi)發(fā)具有民族自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的掌上電腦。這就需要選好和開(kāi)發(fā)出自己的硬件平臺(tái)；同時(shí)還要開(kāi)發(fā)自己的嵌入式Linux操作系統(tǒng)；在硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)之上，再開(kāi)發(fā)各種具體的應(yīng)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(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。
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1 硬件電路組成
基于SA1110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、專用集成電路芯片CPLD和液晶顯示屏LCD。
2 SA1110的LCD控制器
SA1110的芯片內(nèi)部集成了LCD控制器，該控制器有三種顯示類型：
·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(dá)65536種彩色（16位）；
·無(wú)源黑白模式：支持15級(jí)灰度。
LCD控制器支持高達(dá)1024×1024象素的顯屏。然而在幀存儲(chǔ)器中，由于存儲(chǔ)器的總線寬度、象素編碼數(shù)據(jù)的大小限制了LCD能驅(qū)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中，LCD的雙通道DMA控制器可根據(jù)具體情況把數(shù)據(jù)裝入一個(gè)5單元（32位長(zhǎng)）的隊(duì)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(chǔ)器中，存儲(chǔ)著象素編碼數(shù)據(jù)。LCD控制器將其用作指針去索引一個(gè)256單元12位寬的調(diào)色板。黑白調(diào)色板4位寬，彩色調(diào)色板12位寬。來(lái)自幀存儲(chǔ)器的象素編碼數(shù)據(jù)（4位）尋址黑白調(diào)色板的頂部16單元；8位象素編碼數(shù)據(jù)可訪問(wèn)調(diào)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?cái)?shù)據(jù)旁路掉彩色調(diào)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，彩象素?cái)?shù)據(jù)不僅旁路掉彩色調(diào)色板，而且旁路掉LCD的抖動(dòng)邏輯電路，并直接送到LCD的數(shù)據(jù)管腳。一旦4位或8位的象素編碼數(shù)據(jù)選定了一個(gè)調(diào)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?cái)?shù)據(jù)。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(jí)灰度，為彩色屏幕的紅、綠、藍(lán)三基色中的每一種都產(chǎn)生15級(jí)色度，總計(jì)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(shù)據(jù)在被輸出到LCD引腳和象素時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)顯示器之前，被放置在一個(gè)9單元的引腳數(shù)據(jù)隊(duì)列緩沖區(qū)內(nèi)。
根據(jù)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?cái)?shù)據(jù)引腳。單屏黑白顯示器在每個(gè)象素時(shí)鐘周期內(nèi)既可以采用4位也可以采用8位的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)引腳在每個(gè)象素時(shí)鐘周期內(nèi)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(shù)據(jù)行被分成兩組，一組驅(qū)動(dòng)上半屏，另一組驅(qū)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，SA1110 LCD控制器的控制過(guò)程如圖2所示。
CPLD PZ3128是Philips公司的專用集成芯片。由于手持設(shè)備的液晶顯示屏種類繁多，各廠家的標(biāo)準(zhǔn)不一致使SA1110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(shù)據(jù)格式及顯示時(shí)序上無(wú)法匹配。因此，對(duì)CPLD PZ3128編程，可為不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行映射，為不同類型的LCD屏配置專用的ASIC芯片。
SA1110 LCD控制器由以下引腳組成：
·LDD[0～7]：7位數(shù)據(jù)線，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(dāng)采用的液晶模塊是16位TFT方式時(shí)，構(gòu)成數(shù)據(jù)線的高8位；
·L_PCLK：點(diǎn)時(shí)鐘（Pixel clock），用于把每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)送入移位寄存器；
·L_LCLK：行時(shí)鐘（Line clock），用于指示一行數(shù)據(jù)由移位寄存器到顯示驅(qū)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(hào)；
·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(hào)；
·L_BIAS:在16位TFT方式下，輸出允許信號(hào)，用于指示數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)的同步下，鎖存到引腳。
為了顯示一幀圖像，SA1110 LCD控制器首先在RAM中開(kāi)辟一片緩沖區(qū)作為幀緩沖（FRAME BUFFER）。存入要顯示的圖像數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)到輸入先入先出隊(duì)列（INPUT FIFO）。由于在本設(shè)計(jì)中采用16位方式，無(wú)需對(duì)幀緩沖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，所以LCD控制器不處理直接把數(shù)據(jù)送到輸出先入先出隊(duì)列（OUTPUT FIFO）。OUTPUT FIFO再將數(shù)據(jù)通過(guò)引腳送到CPLD以驅(qū)動(dòng)液晶顯示。由于SA1110的LCD控制器擁有自己獨(dú)立的雙通道DMA，同時(shí)選用了高性能SDRAM，能滿足顯示帶寬的需求。
3 LCD模塊
隨著價(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(shè)備。特別是TFT-LCD，具有高分辨率、寬視角、高對(duì)比度等優(yōu)點(diǎn)，在高檔掌上電腦中應(yīng)用較多。
作為SOC芯片的SA1110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(hào)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(jù)用戶的要求，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(hào)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(qū)動(dòng)芯片、FPC引線、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(jí)的標(biāo)準(zhǔn)模擬脈沖電壓V0～V9，用于LCD模塊內(nèi)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(zhǔn)確性，對(duì)其數(shù)值要求精度較高。同時(shí)，它們是脈沖信號(hào)，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(shù)要求如表1。
表1中電壓信號(hào)產(chǎn)生先用高精度電阻構(gòu)成陣列，用電阻分壓法產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，再由二選一開(kāi)關(guān)按照LCD顯示的幀頻率進(jìn)行高速切換，在輸出端就可得到所需的標(biāo)準(zhǔn)模擬脈沖電壓。其中，二選一開(kāi)關(guān)選用LMC6009，該部分電路如圖4所示。
表1 V0～V9的幅度參數(shù)
LQ039Q2DS54與眾多的TFT一樣，每一象素采用18位的編碼方式。紅、綠、藍(lán)每一種基色6位，即RGB666.但SA1110的LCD控制器支持16位方式，因此必須把紅、藍(lán)的最低位接地，從而形成5位紅、6位綠、5位藍(lán)的RGB565格式。這樣產(chǎn)生的色差非常小。
4 觸摸屏
通常，供掌上設(shè)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。SHARP 3.9寸TFT LCD（LQ039Q2DS54）表面裝有一個(gè)電阻式觸摸屏，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，分為X和Y上下兩個(gè)極板。
圖4 LCD模擬灰度電壓產(chǎn)生
通過(guò)電阻式觸摸屏，可以測(cè)得接觸點(diǎn)的位置和壓力。當(dāng)需要測(cè)試X坐標(biāo)時(shí)，首先給X極板的兩端加偏置電壓，然后測(cè)試tspy、tsmy之一或全部。它們相當(dāng)于電位器的滑動(dòng)端，其測(cè)得的電壓值正比于觸點(diǎn)的X坐標(biāo)。Y坐標(biāo)的測(cè)試同理，只是X極板和Y極板互換而已。SHARP 3.9寸TFT LCD（LQ039Q2DS54）表面安裝的電阻式觸摸屏的特性參數(shù)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(cè)到的最小壓力：24g。
本設(shè)計(jì)中所采用的Philips公司的UCB1300不令可以作為MODEM和音頻模擬前端芯片，而且它的內(nèi)部集成有觸摸屏控制器，可以一片多用，便于在掌上系統(tǒng)中使用。觸摸屏控制器的功能包括：對(duì)觸摸屏的兩層極板間施加偏置電壓，當(dāng)有點(diǎn)擊動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)；同時(shí)對(duì)點(diǎn)擊處的X和Y方向的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化，得到點(diǎn)擊位置數(shù)據(jù)，保存在內(nèi)部寄存器中；再通過(guò)MCP接口讀到微處理器中。UCB1300與觸摸屏控制器相關(guān)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(hào)線tspx、lsmx、tspy和tsmy，可以實(shí)現(xiàn)位置、壓力和極板電阻的測(cè)量。
（2）帶有內(nèi)部跟蹤保持電路及模擬多路開(kāi)關(guān)的10位連續(xù)逼近型ADC，用于觸摸屏觸點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀出和外電路4個(gè)模擬電壓的監(jiān)視，其中外電路4個(gè)模擬電壓監(jiān)視用于電源管理。
（3）內(nèi)部帶有參考電壓源，為10位ADC提供基準(zhǔn)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(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)與主處理器SA1110的MCP同步串口通信，有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)幀定義。
（5）觸摸屏的各種工作模式由UCB1300的內(nèi)部控制寄存器設(shè)置，而這些控制寄存器由SA1110通過(guò)MCP同步串口來(lái)讀寫(xiě)。
（6）因?yàn)橛|摸屏與LCD的近耦合，來(lái)自LCD屏的大的尖峰干擾信號(hào)會(huì)影響觸摸屏的工作，因此觸摸屏控制器內(nèi)部有4個(gè)低通濾波器，用于降低來(lái)自LCD的高頻干擾。
盡管目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的各種PDA和掌上電腦產(chǎn)品比較多，某些國(guó)內(nèi)的品牌也很暢銷，但是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造上，都是靠臺(tái)灣地區(qū)等廠商的OEM，真正自主研究開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)幾乎為零。因此，本項(xiàng)目中掌上電腦硬件平臺(tái)系統(tǒng)的研制成功，特別是基于Intel StrongARM SA1110高性能CPU的樣機(jī)，在國(guó)內(nèi)仍處于領(lǐng)先地位，并且為同組人員開(kāi)發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序提供了硬件環(huán)境。
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