ARM嵌入式的VGA接口制作

大多數(shù)嵌入式產(chǎn)品的顯示終端都選擇LCD，但在某些需要大屏幕顯示的應(yīng)用中，工業(yè)級(jí)LCD的價(jià)格比較昂貴，且現(xiàn)有的大屏幕顯示器(包括CRT顯示器和LCD顯示器)一般都采用統(tǒng)一的15針VGA顯示接口。三星公司ARM9芯片S3C2410以其強(qiáng)大的功能和高性價(jià)比在目前嵌入式產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。

　　1 VGA接口介紹

　　近年來，業(yè)界制定出了眾多數(shù)字化的顯示接口協(xié)議，較為典型的是DVI(Digital Visual Interface)。由于數(shù)字接口的標(biāo)準(zhǔn)還未統(tǒng)一，廠商支持各自的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)字接口的標(biāo)準(zhǔn)遲遲未定。VGA接口是一個(gè)模擬信號(hào)接口。作為在顯示領(lǐng)域多年的接口標(biāo)準(zhǔn)，直到今天它仍是所有顯示終端最為成熟的標(biāo)準(zhǔn)接口，現(xiàn)在某些高端的電視也支持VGA接口。

　　15針VGA接口信號(hào)定義如表1所列。除了2個(gè)NC信號(hào)、3根顯示數(shù)據(jù)總線和5個(gè)GND信號(hào)，比較重要的信號(hào)是3個(gè)RGB彩色分量信號(hào)和2個(gè)掃描同步信號(hào) HSYNC和VSYNC。VGA接口中彩色分量采用RS343電平標(biāo)準(zhǔn)。RS343電平標(biāo)準(zhǔn)的峰峰值電壓為1 V。該標(biāo)準(zhǔn)定義的4個(gè)電平范圍是：

　　白電平--+0.714 V；

　　黑電平--+0.054 V；

　　消隱電平--0 V；

　　同步電平---0.286 V。

　　2 S3C2410 LCD控制器簡介

　　三星公司的ARM9芯片S3C2410功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，在目前的嵌入式產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。S3C2410帶有LCD控制器，可以很方便地控制驅(qū)動(dòng)掃描式接口的LCD顯示。

　　2.1 引腳功能信息

　　LCD控制器提供了掃描式數(shù)據(jù)傳輸引腳和時(shí)序控制引腳，具體描述如下：

　　VFRAME／VSYNC--LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的幀同步信號(hào)。該信號(hào)告訴LCD屏新一幀開始了。LCD控制器在一幀顯示完成后立即插入一個(gè)VFRAME信號(hào)，開始新一幀的顯示。

　　VLINE／HSYNC--LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的行同步脈沖信號(hào)。該信號(hào)用于LCD驅(qū)動(dòng)器將水平線(行)移位寄存器的內(nèi)容傳送給LCD屏顯示。LCD控制器在整行數(shù)據(jù)移人LCD驅(qū)動(dòng)器后，插入一個(gè)VLINE信號(hào)。

　　VCLK--LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的像素時(shí)鐘信號(hào)。LCD控制在VCLK的上升沿處送出數(shù)據(jù)，LCD驅(qū)動(dòng)器在VCLK的下降沿處采樣。

　　VM／VDEN--LCD驅(qū)動(dòng)器的AC信號(hào)。VM信號(hào)被LCD驅(qū)動(dòng)器用于改變行和列的電壓極性，從而控制像素點(diǎn)的顯示。VM信號(hào)可以與每幀同步，也可以與可變數(shù)據(jù)的VLINE信號(hào)同步。

　　VD[23：0]--LCD像素?cái)?shù)據(jù)輸出端口。

　　2.2 寄存器

　　S3C2410的LCD控制寄存器主要有：LCDCON1寄存器、LCDCON2寄存器、LCDCON3寄存器、LCDCON4寄存器、LCDCON5寄存器。這些寄存器的設(shè)置與顯示屏信息、控制時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸格式等密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)中需要根據(jù)顯示設(shè)備的具體信息正確設(shè)置這些寄存器才能使S3C2410正?？刂乞?qū)動(dòng)不同的顯示屏。

　　2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　S3C2410的LCD控制器用來傳輸圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，由REGBANK(控制寄存器組)、LCDCD-MA(專用DMA)、VIDPCS (視頻信號(hào)處理單元)、LPC3600和TIMEGEN(時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生單元)組成，所示。其中REGBANK包含17個(gè)可編程寄存器和幾個(gè)256× 16的調(diào)色板存儲(chǔ)器，用來配置LCD控制器并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)；而LCDCDMA提供了視頻信號(hào)的快速傳輸通道，自動(dòng)通過系統(tǒng)總線從系統(tǒng)幀緩存中取出視頻數(shù)據(jù)并傳輸?shù)揭曨l信號(hào)處理單元；VIDPCS將專用DMA中取出的信號(hào)整形并提高驅(qū)動(dòng)能力等處理后，輸出到外部數(shù)據(jù)端口VD[23：0]；TIMEGEN和 LPC3600負(fù)責(zé)產(chǎn)生LCD所需要的控制時(shí)序。

　　3 VGA接口設(shè)計(jì)

　　利用高性能視頻D／A轉(zhuǎn)換芯片ADV7120將S3C24l0自帶的LCD掃描式接口轉(zhuǎn)換為VGA接口，然后用帶有VGA接口的顯示器顯示。

　　3.1 ADV7120簡介

　　ADV7120是美國ADI公司生產(chǎn)的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其像素掃描時(shí)鐘頻率有30 MHz、50 MHz、80 MHz三個(gè)等級(jí)。ADV7120在單芯片上集成了3個(gè)獨(dú)立的8位高速D／A轉(zhuǎn)換器，可以分別處理紅、綠、藍(lán)視頻數(shù)據(jù)，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速D／A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用系統(tǒng)。

　　ADV7120的輸入及控制信號(hào)非常簡單：3組8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，分別對(duì)應(yīng)RGB視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入端采用標(biāo)準(zhǔn)TTL電平接口；4條視頻控制信號(hào)線包括復(fù)合同步信號(hào)SYNC、消隱信號(hào)BLANK、白電平參考信號(hào)REF WHITE和像素時(shí)鐘信號(hào)CLOCK；外接一個(gè)1.23 V數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓源和1個(gè)輸出滿度調(diào)節(jié)。只有4條輸出信號(hào)線：模擬RGB信號(hào)采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅(qū)動(dòng)75Ω同軸傳輸線；同步參考電流輸出信號(hào)Isync用來在綠視頻模擬信號(hào)中編碼視頻同步信息。

　　3.2 原理圖設(shè)計(jì)

　　VGA接口的同步信號(hào)和LCD掃描式接口的同步信號(hào)是一致的。利用ADV7120可以方便地將S3C24l0的LCD掃描式接口轉(zhuǎn)換成VGA接口，電路原理所示。

　　S3C2410處理器接口中的同步掃描信號(hào)HSYNC和VSYNC直接接到VGA接口，VDEN信號(hào)(顯示數(shù)據(jù)有效信號(hào))則被用于控制ADV7120芯片。由于ADV7120對(duì)參考電平的要求精度很高，不能以電阻分壓電路代替。在此采用了1.2 V電壓基準(zhǔn)芯片AD589來產(chǎn)生參考電壓。該電路設(shè)計(jì)中需要注意的是，在PCB布板時(shí)要將模擬地和數(shù)字地分開。[!--empirenews.page--]4 S3C2410相關(guān)寄存器設(shè)置

 

　　以分辨率為640×480、刷新頻率為60 Hz、16位彩色顯示模式為例，根據(jù)圖3所示VGA接口同步信號(hào)時(shí)序，介紹S3C2410中LCDCON1～LCDCON5寄存器的設(shè)置。

　　4.1 LCDCONl寄存器

　　LINECNT：行計(jì)數(shù)器的狀態(tài)位。只讀，不用設(shè)置。

　　CLKVAL：確定VCLK頻率的參數(shù)。公式為VCLK=HCLK／[(CLKVAL+1)×2]，單位為Hz。筆者所用的硬件系統(tǒng)HCLK=100 MHz，640×480的顯示屏需要VCLK=20 MHz，故需設(shè)置CLKVAL=1。

　　MMODE：確定VM的改變速度。在此選擇MMODE=O，為每幀變化模式。

　　PNRMODE：確定掃描方式。選擇PNRMODE=0x3，為TFT LCD面板掃描模式。

　　BPPMODE：確定BPP(每像素位數(shù))模式。在此選擇BPPMODE=0xC，為TFT 16位模式。

　　ENVID：數(shù)據(jù)輸出和邏輯信號(hào)使能控制位。選擇ENVID=1，為允許數(shù)據(jù)輸出和邏輯控制。

　　4.2 LCDCON2寄存器

　　VBPD：確定幀同步信號(hào)和幀數(shù)據(jù)傳輸前的一段延遲時(shí)間，是幀數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，，VBPD=t3／t6=1.02 mS／31.77μs=32。

　　LINEVAL：確定顯示的垂直方向尺寸。公式：LINEVAL=YSIZE-1=479。

　　VFPD：確定幀數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一幀同步信號(hào)到來的一段延遲時(shí)間，是幀數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，，VFPD=t5／t6=0.35 ms／31.77μs=11。

　　VSPW：確定幀同步時(shí)鐘脈沖寬度，是幀同步信號(hào)時(shí)鐘寬度和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值。，VSPW=t2／t6=0.06 ms／31.77μs=2。

　　4.3 LCDCON3寄存器

　　HBPD：確定行同步信號(hào)和行數(shù)據(jù)傳輸前的一段延遲時(shí)間，描述行數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，，VBPD=t7×VCLK=1.89 μs×25MHz=47。

　　HOZAL：確定顯示的水平方向尺寸。公式HOZAL=XSIZE-1=639。

　　HFPD：確定行數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一行同步信號(hào)到來的一段延遲時(shí)間，描述行數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，，HFPD=t9×VCLK=0.94 μs×25 MHz=24。

　　4.4 LCDCON4寄存器

　　HSPW：確定行同步時(shí)鐘脈沖寬度。描述行同步脈沖寬度時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，，HSPW=3.77μs×25 MHz=94。

　　4.5 LCDCON5寄存器

　　VSTATUS：垂直方向狀態(tài)。只讀，不用設(shè)置。

　　HSTATUS：水平方向狀態(tài)。只讀，不用設(shè)置。

　　BPP24BL：確定顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。此處設(shè)置BPP24BL=0x0，為小端模式存放。

　　FRM565：確定16位數(shù)據(jù)輸出格式。此處設(shè)置FRM565=0x1，為5：6：5格式輸出。

　　INVVCLK：確定VCLK脈沖有效邊沿極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處選擇INVVCLK=0xl，VCLK上升沿到來時(shí)數(shù)據(jù)傳輸開始。

　　INVVLlNE：確定HSYNC脈沖的極性。由圖3可知，為負(fù)極性，設(shè)置INVVLINE=0x1選擇負(fù)極性脈沖。

　　INVVFRAME：確定VSYNC脈沖的極性。由圖3可以看出，為負(fù)極性，故設(shè)置INVVFRAME=0x1選擇負(fù)極性脈沖。

　　INVVD：確定數(shù)據(jù)輸出的脈沖極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置INVVD=0x0選擇正極性脈沖。

　　INVVDEN：確定VDEN信號(hào)極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置INVVDEN=0x0為正極性脈沖。

　　INVPWREN：確定PWREN信號(hào)極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置NVPWREN=0x0為正極性脈沖。

　　INVLEND：確定LEND信號(hào)極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置INVLEND=0x0為正極性脈沖。

　　PWREN：PWREN信號(hào)輸出允許。設(shè)置PWREN=0xl，允許PWREN輸出。

　　ENLEND：LEND輸出信號(hào)允許。設(shè)置ENLEND=0x1，允許LEND輸出。

　　BSWP：字節(jié)交換控制位。根據(jù)各自需要設(shè)置，此處設(shè)置BSWP=0x0，禁止字節(jié)交換。

　　HWSWP：半字交換控制位。根據(jù)各自需要設(shè)置，此處設(shè)置HWSWP=0xl，使能半字節(jié)交換。

　　5 討論

　　S3C2410處理器能夠驅(qū)動(dòng)24位顏色模式的VGA接口，但當(dāng)處理器數(shù)據(jù)總線負(fù)載過大時(shí)，顯示效果就不太理想。具體分析所需數(shù)據(jù)帶寬如下：

　　S3C2410處理器工作在640×480×60 Hz×24位(分辨率為640×480、刷新頻率為60 Hz、24位色彩)模式下的數(shù)據(jù)帶寬為：640×480×60×4／(1 024×1 024)=70.3MB／s(24位顏色實(shí)際占用32位數(shù)據(jù)量)，這些數(shù)據(jù)都需要利用DMA方式通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線從SDRAM中獲得。而S3C2410 處理器在100 MHz的總線頻率下，32位內(nèi)存的峰值帶寬是100×32／8=400MB／s，實(shí)際帶寬也就100～200 MB／s。那么70.3 MB／s的顯示數(shù)據(jù)對(duì)于S3C2410處理器過于沉重了，顯示器的屏幕經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)短暫的黑屏。這是因?yàn)橄到y(tǒng)總線太忙，LCD掃描式接口的數(shù)據(jù)跟不上，掃描時(shí)鐘的頻率暫時(shí)變慢導(dǎo)致CRT顯示器的同步信號(hào)不符合規(guī)范所致。若用16位顏色模式，則數(shù)據(jù)帶寬減為640×480×60×2／(1 024×1 024)=35.2MB／s。實(shí)際測(cè)試中，工作在16位顏色模式下，可以正常顯示60 Hz下的640×480的VGA圖形。

　　6  總結(jié)

綜上分析，如果要支持高分辨率和高刷新率的顯示，需要比較大的數(shù)據(jù)帶寬，對(duì)處理器的頻率和總線頻率要求較高。本設(shè)計(jì)可以完全支持16位色彩下640×480×60 Hz顯示模式的CRT顯示，并且如果采用LCD作為顯示界面，LCD對(duì)刷新率的要求和CRT顯示器不同，LCD可以在刷新率為30 Hz的情況下正常顯示。