淺談嵌入式系統(tǒng)的VGA接口設(shè)計(jì)

引言

隨著液晶技術(shù)的日益成熟，液晶顯示器在顯示技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前LCD顯示技術(shù)已經(jīng)成為新一代平板技術(shù)顯示技術(shù)的主流。LCD顯示屏幕主要包括液晶屏幕，驅(qū)動(dòng)電路以及控制驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)。我們?cè)O(shè)計(jì)的LCD控制器主要是用來(lái)控制RGB模式的數(shù)據(jù)以及MCU模式的命令，參數(shù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)LCD的控制功能。 RGB模式主要有16bit輸入，16bit輸出； 16bit輸入，18bit輸出； 18bit輸入，16bit輸出；18bit輸入，18bit輸出；4種模式的傳輸。本文就LCD的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行分析，介紹，提出硬件電路的設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證方法。

LCD接口轉(zhuǎn)換為VGA接口

VGA （Video Graphics Array）接口信號(hào)為模擬信號(hào)。其關(guān)鍵信號(hào)有5個(gè)，分別是Horizontal Sync水平同步信號(hào)（也叫行同步信號(hào)），垂直同步信號(hào)Vertical Sync（也叫場(chǎng)同步信號(hào)），Red紅色，Green 綠色和Blue 藍(lán)色。電子槍從左至右，從上至下地進(jìn)行掃描，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行同步；掃描完所有行后用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步。LCD接口轉(zhuǎn)VGA（簡(jiǎn)稱(chēng)LCD2VGA）是一款以FPGA 做為橋接芯片，集成高效顯存技術(shù)的視頻轉(zhuǎn)換卡。不同于簡(jiǎn)易的D/A轉(zhuǎn)換模式，LCD2VGA上的FPGA能夠自動(dòng)將LCD接口提供的刷新頻率提高到CRT顯示器所需要的高刷新頻率，解決了簡(jiǎn)易的D/A轉(zhuǎn)換模式下屏幕閃動(dòng)的問(wèn)題。帶有LCD控制器的CPU 通過(guò)此視頻卡，可以驅(qū)動(dòng)帶VGA 接口的液晶顯示器或CRT 顯示器。LCD2VGA能夠支持16bppTFT（真彩）型數(shù)字LCD接口向VGA接口的轉(zhuǎn)換，兼容640×480、800×600、1024×768三種分辨率，支持輸出60Hz刷新率；其工作方式和工作時(shí)序與TFT（真彩）LCD 完全一樣。

掃描式LCD接口（以S3C2410A的LCD控制器為例圖1），在每一場(chǎng)完畢后，也是用VSYNC來(lái)進(jìn)行場(chǎng)同步；每一行完畢后，也是用HSYNC進(jìn)行行同步；也有VCLK像素時(shí)鐘，用于鎖存數(shù)據(jù)；

其場(chǎng)同步信號(hào)，寬度為（VSPW+1），之前有場(chǎng)消隱前肩（VFPD+1），之后有場(chǎng)消隱后肩（VBPD+1）；

其行同步信號(hào)，寬度為（HSPW+1），之前有行消隱前肩（HFPD+1），之后有場(chǎng)消隱后肩（HBPD+1）；

可以發(fā)現(xiàn)，掃描式LCD接口的同步信號(hào)時(shí)序和VGA接口是一致的。原因是發(fā)明LCD后，盡管顯示原理不同，但為了在時(shí)序上和CRT兼容，也采用了這樣的控制時(shí)序。基于此，完全能將LCD接口轉(zhuǎn)換為VGA接口。

　圖1 三星S3C2410A的LCD信號(hào)時(shí)序圖

方案實(shí)現(xiàn)

VGA接口只需Hsync和Vsync兩個(gè)同步信號(hào)和RGB三個(gè)色彩分量信號(hào)。而掃描式LCD接口的同步信號(hào)的時(shí)序和VGA接口的完全一致，可直接把兩個(gè)同步信號(hào)接入VGA接口。

S3C2410A的LCD控制器輸出的是RGB數(shù)字信號(hào)。因此若用一些DAC芯片把RGB數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)VGA接口的RGB信號(hào)輸入。這類(lèi)視頻專(zhuān)用DAC芯片較多，例如ADI公司的ADV7120;CHRONTEL公司的CH7004C.實(shí)驗(yàn)中選用的CHRONTEL公司的CH7004C.S3C2410A的LCD控制器與CH7004C的連接如表1.

表1 S3C2410A的LCD控制器與CH7004C的連接

在選擇數(shù)據(jù)格式時(shí)，RGB565較合適，因?yàn)?6位數(shù)據(jù)已經(jīng)有6.5萬(wàn)色，完全足夠；24位數(shù)據(jù)時(shí)每個(gè)像素實(shí)際占用32位，4個(gè)字節(jié)，傳輸時(shí)對(duì)S3C2410A的總線(xiàn)資源占用太大。

整個(gè)電路原理圖如圖2所示。其中一些需要注意的地方有：

CH7004C工作在從模式下，由S3C2410A的I2C控制。在實(shí)驗(yàn)中使用的是精度較好的日本村田（murata）的阻容元件，包括10K,360歐，75歐和10pF的電容。10K用于I2C總線(xiàn)的上拉，360歐用于RSET引腳接地；75歐為R,G,B三個(gè)輸出管腳和地之間的終端電阻，10pF電容用于晶振。另外，CH7004C的IIC地址，是通過(guò)把ADDR引腳拉高或拉低來(lái)設(shè)定；接地時(shí)，根據(jù)芯片手冊(cè)，其7位的I2C地址為1110110,最后加一個(gè)讀/寫(xiě)位。

　圖2 CH7004C的電路原理圖

CH7004C的關(guān)鍵寄存器及設(shè)置

CH7004C片內(nèi)有25個(gè)寄存器。寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計(jì)數(shù)器（PC）。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。寄存器的功能十分重要，CPU對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，往往先把數(shù)據(jù)取到內(nèi)部寄存器中，而后再作處理。外部寄存器是計(jì)算機(jī)中其它一些部件上用于暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它與CPU之間通過(guò)"端口"交換數(shù)據(jù)，外部寄存器具有寄存器和內(nèi)存儲(chǔ)器雙重特點(diǎn)。有些時(shí)候我們常把外部寄存器就稱(chēng)為"端口",這種說(shuō)法不太嚴(yán)格，但經(jīng)常這樣說(shuō)。其中比較關(guān)鍵的是Display Mode,Input Data Format,Sync Polarity三個(gè)寄存器。Display Mode顯示模式寄存器，片內(nèi)地址0X00,輸入分辨率為640×480,由芯片手冊(cè)，可選模式從Mode13到Mode17均可。實(shí)驗(yàn)中選擇的是默認(rèn)的Mode17,對(duì)應(yīng)參數(shù)為0X6A.Input Data Format輸入數(shù)據(jù)格式寄存器，片內(nèi)地址是0X04,因?yàn)檩斎氲臄?shù)據(jù)格式為RGB565,且需打開(kāi)pass-through模式，故對(duì)應(yīng)參數(shù)為0X20.Sync Polarity同步信號(hào)極性寄存器，片內(nèi)地址0X0D,根據(jù)輸入的Hsync和Vsync的極性來(lái)設(shè)定，如果是均為負(fù)脈沖，則把VSP位和HSP位都置0;如果均為正脈沖，則把VSP位和HSP位都設(shè)置為1.實(shí)驗(yàn)中，把S3C2410A的LCD控制器的同步信號(hào)極性均設(shè)為低電平有效，故參數(shù)為0X00.

S3C2410A的LCD控制器設(shè)置

作為輸出源，S3C2410A的LCD控制器也需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。需要的輸出分辨率是640×480,16位色（RGB565格式），刷新率60Hz.一共有LCDCON1到LCDCON5共5個(gè)寄存器需要設(shè)置，具體參數(shù)要參考VGA時(shí)序規(guī)范和LCD時(shí)序圖（圖1）。所需設(shè)置的寄存器如表2.

表2 S3C2410A的LCD控制器中需要設(shè)置的寄存器

S3C2410A的LCD控制器設(shè)置

實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中，選擇的操作系統(tǒng)嵌入式Linux,內(nèi)核版本2.4.18,圖形系統(tǒng)是Qtopia 1.7.0.bootloader選用的韓國(guó)MIZI公司的vivi.上電后，vivi將進(jìn)行初始化，其中包括設(shè)置CH7004,然后再引導(dǎo)進(jìn)入Linux.對(duì)CH7004的操作，完全可以看作對(duì)一個(gè)IIC接口的EEPROM來(lái)進(jìn)行，即I2C,一種總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。IIC 是作為英特爾IC 的互補(bǔ)，這種總線(xiàn)類(lèi)型是由菲利浦半導(dǎo)體公司在八十年代初設(shè)計(jì)出來(lái)的，主要是用來(lái)連接整體電路（ICS） ,IIC是一種多向控制總線(xiàn)，也就是說(shuō)多個(gè)芯片可以連接到同一總線(xiàn)結(jié)構(gòu)下，同時(shí)每個(gè)芯片都可以作為實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃?。這種方式簡(jiǎn)化了信號(hào)傳輸總線(xiàn)。例如：內(nèi)存中的SPD信息，通過(guò)IIC,與BX芯片組聯(lián)系，IIC 存在于英特爾PIIX4結(jié)構(gòu)體系中?？蓪?zhuān)門(mén)定義一個(gè)函數(shù)IIC_Write（）來(lái)寫(xiě)數(shù)據(jù)。例如對(duì)IDF寄存器的設(shè)置為I2C_Write（0xec,0x04,0x20）。設(shè)置好后，CH7004的所有寄存器數(shù)據(jù)如表3.

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，設(shè)定SPR同步信號(hào)極性寄存器時(shí)，如果都設(shè)同步信號(hào)為正脈沖有效，接顯示器也能正常顯示，但是有閃爍。負(fù)脈沖有效則無(wú)這種情況，故推薦均設(shè)置為負(fù)脈沖有效。

表3 正常工作時(shí)，CH7004C的各個(gè)寄存器讀出的數(shù)據(jù)

結(jié)語(yǔ)

本文提供的LCD接口轉(zhuǎn)換為VGA接口的解決方案，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，切實(shí)可行。在Linux和Windows CE 4.2兩種嵌入式操作系統(tǒng)下均進(jìn)行了測(cè)試，Linux是一類(lèi)Unix計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱(chēng)。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核的名字也是"Linux".Linux操作系統(tǒng)也是自由軟件和開(kāi)放源代碼發(fā)展中最著名的例子。嚴(yán)格來(lái)講，Linux這個(gè)詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實(shí)際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來(lái)形容整個(gè)基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫(kù)的操作系統(tǒng)。Linux得名于計(jì)算機(jī)業(yè)余愛(ài)好者Linus Torvalds.Linux下VGA顯示器的畫(huà)面非常穩(wěn)定；在Windows CE 4.2下基本穩(wěn)定，略有閃爍。該方案最大特點(diǎn)在于讓嵌入式系統(tǒng)直接支持VGA顯示器，具備較大的實(shí)際應(yīng)用意義。

圖3 Linux下外接VGA顯示器