新型高分辨率LCD控制器的设计与实现

   随着电子技术的发展，大屏幕LCD显示器越来越多地成为各种电子设备的显示终端。但是现有的大部分嵌入式处理器，因为其自身的总线速率限制了驱动大屏幕LCD的能力。例如自带LCD控制器的ARM嵌入式处理器(三星的2440)，其系统总线的时钟频率最高只能达到133 MHz[1]，除了要传输显示LCD屏的数据外，系统总线还要提供其他设备的数据吞吐，所以它的数据传输量只能满足小屏幕的显示，无法满足高分辨率屏幕的数据显示。
    市场上有很多专用的LCD控制芯片，但是其价格较高、配置不灵活。因此，本文基于能够高速运行的FPGA[2]为处理核心，以SDRAM作为显示缓存，设计LCD控制器，既能够将ARM的系统总线上的显示数据取出，并驱动大屏幕显示数据，又能够解决专用芯片的弊端。成功地解决了嵌入式处理器在驱动大屏幕LCD时的资源紧张问题，并可提供清晰稳定的图像显示。

1 架构选择及硬件实现
1.1 架构分析选择
　根据嵌入式处理器的工作原理，有三种架构形式可以实现LCD控制器的设计[3],如图1所示。架构2和架构3采用了与CPU共用显示存储器的方式，在显示过程中，CPU和LCD控制器需要间断地释放对共用存储器的访问，以完成刷新数据和更新数据在存储器中的交互。这两种架构中，CUP对存储器的访问会直接影响到显示数据的更新及LCD显示器的显示效果。尽管架构2增加了本地存储器，提高了系统性能，但是同样受到架构模式的制约。而架构1避免了共用显示存储器的模式，将LCD控制器作为总线上的一个外设,CPU将需要更新显示的数据通过存储器接口发送给总线上的LCD控制器，LCD控制器控制LCD显示。本文系统即采用了架构1形式的架构。
1.2 系统硬件设计
　基于架构1设计了图2所示的硬件结构。整个系统以FPGA对更新数据和刷新数据的仲裁处理为核心，配合SDRAM的操作及显示数据的传输标准转换（LVDS转换）完成其大屏幕显示器驱动的任务，实现显示功能。
　XC6SLX45是XILINX公司新推出的一款FPGA，属于SPARTAN6系列，具有很高的性价比优势。利用FPGA配置灵活的特点，在硬件方面FPGA主要实现四个接口：CPU接口、SDRAM接口、FPGA配置接口和LCD接口。其中,SDRAM接口[4]和LCD接口都是常用的标准接口，这里不再赘述。FPGA的配置接口用于对FPGA的被动串行配置，采用FPGA的这种配置方式可以很好地提高该控制器的可移植性，又可以节省FPGA的配置芯片的成本。LCD控制器通过CPU接口连接到AMBA总线上[5]，并以存储器的方式被嵌入式处理器访问。

　HY57V283220是一款32 bit数据总线宽度的SDRAM，采用32 bit的数据总线能够很好地提高本控制器的数据处理速度和其驱动能力。DS90C38是一款通用的大屏幕LCD显示器LVDS接口转换芯片，可以适用于大部分差分接口的LCD显示器，设计中，可以很好地将FPGA产生的RGB格式的数据转换成高速串行差分数据格式。
1.3 硬件接口电路设计
　控制器与CPU的接口是ARM的存储器访问接口，接口采用异步通信方式并由26 bit地址线、32 bit数据总线接入读写片选线组成，其接入接口硬件图如图3所示。

　显示屏接口采用标准的大屏幕LVDS接口，通过LVDS转换芯片与外围LCD屏幕连接，将FPGA产生的RGB等信号转换成高速差分串行输出信号。LCD显示器接口如图4所示。　　

2 FPGA软件设计
       FPGA 软件模块及功能示意图如图5所示，其软件设计分为4个模块:(1)DCM时钟管理模块。主要功能是利用FPGA内部DCM产生其他模块所需的时钟；(2)接收模块。主要用来接收CPU发送来的需要更新的显示数据，作适当处理后进行数据缓存；(3)显存管理模块。主要用来解决CPU写入数据和LCD显示器读出数据之间的冲突；(4)LCD驱动模块。主要用于产生LCD显示器需要的时序。

2.1 接收模块
    接收模块的程序流程图如图6(a)所示。系统上电复位后，接收模块进入等待接收数据状态，当有来自CPU的数据请求时，接收模块通过CPU接口通信协议接收数据，数据包括显示数据和存储地址。接收数据后，首先对地址进行译码。地址分为显示数据地址和寄存器地址：当地址为寄存器地址时，接收数据对寄存器进行操作，用来对LCD屏的属性进行配置和控制，以增强LCD控制器对不同LCD屏的兼容性；当地址为数据地址时，将CPU传递的线性地址译码为SDRAM写入操作的bank地址、行地址和列地址。地址译码后，将地址和数据进行封包组帧，并且加入自动预充电标志位，以提高SDRAM的写入数据速度。判断预充电标志位是否有效的依据是：数据地址是SDRAM的“行末”地址、后一个数据不与当前数据的行地址相同,然后将封号帧的数据依次传入接收缓存(FIFO)中,等待显存管理模块的读取。数据的帧格式如表1所示。

2.2 显存管理模块
　显存管理模块分为：SDRAM接口模块和SDRAM控制模块。SDRAM接口模块根据SDRAM的操作时序建立SDRAM访问接口；SDRAM控制模块仲裁CPU的显示更新数据和LCD的显示刷新数据在SDRAM中的读写操作，其操作机制如图6 (b)所示。系统上电复位后进入监控状态，然后进入SDRAM读操作状态，将LCD显示缓存中存入一定量的显示数据后，管理模块进行N次的SDRAM刷新操作，刷新结束后显存管理模块将一直监视接收缓存，直到显示缓存中数据不足时则循环进行读操作。
    SDRAM是动态存储器，合理的操作机制可以提高SDRAM的读写速度。本控制器在SDRAM的操作上引入了如下机制以提高系统的性能：
　 (1)读写操作分开独立连续进行：将SDRAM中数据连续读出固定个数的数据，然后进入连续写入状态。
　 (2)连续两个数据不同行时,采用自动预充电读写操作，同行则不进行预充电操作。
    (3)在空闲状态进行手动刷新SDRAM，
本系统的读操作是周期进行的，在每次读操作后进行固定周期数的刷新操作，既保证了刷新次数，又节省了刷新时间。
　　(4)采用32 bit的SDRAM，以增加位宽换取速度。
2.3 LCD驱动模块
　　该模块根据LCD标准的时序要求产生行时钟、场时钟和数据使能信号，并且配合像素时钟将LCD显示缓存中的32 bit数据以16 bit读出。
3  实验验证
　　本设计采用的SDRAM的工作时钟为133 MHz，为了减少异步时钟造成的问题，FPGA的系统工作时钟也采用了相同频率的工作时钟，并且成功地应用于某船载导航雷达的现实界面的实现上。在雷达图像显示中，ARM与LCD控制器之间的数据量为30 MB/s，屏幕采用了日立公司TMS150XG1-10TB型号的TFT-LCD显示器，LCD屏幕的分辨率为1 024×768，像素时钟为65 MHz。实验结果证明，LCD控制器的工作性能良好，屏幕显示清晰稳定。利用chipscope抽取主要的数据如图7所示。抽取结果显示，接收到的ARM数据经过组帧最后正确地产生了用于显示的数据。

    本文介绍了新型高分辨率LCD控制器，解决了大屏幕显示所需的高刷新率和高更新率问题。同时，多个内部寄存器使其支持各种型号的LCD显示器，并已成功地驱动了15英寸的LCD显示器。
参考文献
[1] ELECTRONICS S. S3C2440A 32-bit CMOS microcontroller user′s manual(R).2004.
[2] 王顺利，戴明，孙丽娜. 基于FPGA的一种新型8通道数据采集系统[J].电子技术应用,2009,35(11).
[3] MOTION S. SM502 mobile multimedia companion chip Databook(R).2006.
[4] 李卫，王杉，魏急波. SDRAM控制器的FPGA设计与实现[J]. 电子工程师,2004,30(10).
[5] 曹志香，桑爱兵，丁黄胜，等.基于AMBA总线的嵌入式彩色LCD控制器的设计及FPGA实现[J].电子器件,
2004,27(1).