彩色液晶显示系统的设计

高性能嵌入式便携设备的普及对嵌入式显示系统的设计提出了新的要求：高性能、低功耗、体积小、可移植性好和能工作在各种光照环境下。本文设计的嵌入式显示系统为这类便携设备的显示系统开发提供了一种解决方案，不但满足了高端嵌入式设备所需要的高性能，而且在高亮度显示条件下能维持低功耗，适用于高档PDA、便携媒体播放器、手持式导航仪、便携医疗和测试设备等领域。

主要器件的恰当选择是实现上述设计目标的关键，本文选用的嵌入式微处理器三星S3C2440A（同时也是本显示系统的LCD控制器）主要面向高端嵌入式设备，它采用ARM920T内核，最高工作频率达533MHz，内含3通道的异步串行口、SDRAM控制器、I2C总线接口、USB主、从单元设备接口、摄像头接口、AC97音频编解码接口、触摸屏接口和LCD控制器等众多片上外设，低功耗，性价比高。另外，夏普公司3.5英寸透反射式TFT-LCD LQ035Q7DH01采用了Advanced-TFT技术，它利用互连薄膜晶体管的导电迹线的金属敷膜作为反射器，通过LCD矩阵返回入射光，提高了强环境光下的亮度同时又能保持较低的功耗；在明亮场所时具备 HR-TFT（高反射液晶）功能，而在暗淡环境下又具备内置背灯的透过型液晶功能，能在强烈的阳光和全黑的环境下工作。其屏幕分辨率为320×240，用18位数据信号能显示262144种色彩。

由于嵌入式Linux具有良好的稳定性和平台可移植性，同时又开放原代码，成本低廉，本文选用嵌入式Linux作为操作系统。软件开发环境采用Linux 2.4.20平台，交叉编译器为arm-linux-gcc 2.95.3，完成了对LQ035Q7DH01显示屏的驱动程序开发。

显示系统硬件电路

1 LCD控制器电路

LCD控制器用来传输图像数据并产生相应的控制信号，S3C2440A LCD控制器能支持高达4K色STN屏和256K色TFT屏，支持1024×768分辨率下的各种液晶屏，具有LCD专用DMA。S3C2440A产生的控制信号主要有帧同步信号VFRAME、行同步信号VLINE、像素时钟信号VCLK和数据输出使能信号VM。S3C2440A有VD[0:23]共24根RGB数据线，数据格式不同，接线方式就不同，本文用的是RGB565方式。控制信号和数据信号时序如图1所示，LCD控制器电路如图2所示。

图1  LCD控制器时序图

图2  LCD控制器电路

2 时序和数据匹配电路

由于S3C2440A的LCD控制器与LCD屏LQ035Q7DH01在数据格式及显示时序上无法匹配，需要选用一种时序控制IC或者用CPLD来对不同数据格式的数据接口进行映射。由于CPLD面积较大、成本较高，因而通常只在需要对电路进行灵活配置的情况下才使用。本文时序控制IC选用夏普公司的LZ9FC22，该芯片体积小、性能稳定、专用于QVGA屏幕TFT-LCD。这是一个18位（R6G6B6）的控制器，由于本文采用的是RGB565 16位工作模式，所以将芯片输入引脚R0和B0接地。引脚SIZE用于选择LCD屏幕类型，接低电平时为320×240型屏幕。接高电平时为240×320型屏幕，本文LCD为240×320型屏幕，所以该引脚接高电平。引脚VRVE用于选择LCD帧扫描方向，接低电平时扫描方向从上到下，接高电平时则相反，引脚HRVE用于选择LCD行扫描方向，接低电平时扫描方向从右到左，接高电平时则相反。为了方便不同用户使用时能根据各自需求灵活配置，本文设计了一个LCD扫描方向配置电路，如图3所示。两对电阻R32、R34和R33、R35每对根据需要各选择一个接入电路，从而设定引脚VRVE和HRVE的高低电平。如欲配置LCD帧扫描方向从上到下，则引脚VRVE应为低电平，此时电路中只需接入电阻R35，电阻R33不用接入；如欲配置LCD帧扫描方向从下到上，则引脚VRVE应为高电平，此时电路中只需接入电阻R33，电阻R35不用接入，LCD行扫描方向的配置与之类似。本文LCD采用从上到下，从左到右的扫描方向，所以将电阻R32和R35接入电路中而R33和R34位置处为空。

图3  时序和数据匹配电路

3 多路电压产生电路

LCD屏内集成有数字电路和模拟电路，需要外部提供数字电压和模拟电压。另外，为了完成数据扫描，需要TFT轮流开启/关闭。当TFT开启时，数据通过源极驱动器加载到显示电极，显示电极和公共电极间的电压差再作用于液晶实现显示，因此需要控制LCD的开启电压、关闭电压，以及加到公共电极上的电压。

本文采用松下公司生产的低压差电压线性调节器LM1117DT-3.3芯片来产生时序控制IC和LCD所需要的数字电压。采用美国MAXIM公司推出的有源矩阵液晶显示器电源芯片MAX1664来产生其他电压，两芯片所需的+5V输入电压由220V交流经一个AC/DC开关电源变换后提供。MAX1664内部集成有两个DC-DC变换器，其中DC-DC1提供从输入电压值到+5.5V范围的输出电压，DC-DC2为正负电压双路输出,一路可提供从输入电压值到+28V的输出电压，另一路可提供0～-10V的输出电压。对于LQ035Q7DH01这样的小型TFT LCD，MAX1664能为其提供高效的调节电压。另外，MAX1664是一种高功率开关电源，要注意供电电源电路的连接和旁路电容的连接，芯片旁路端IN和INP之间用一只33Ω的电阻隔离，如图4所示。图4中的D4～D6应采用高速的肖特基二极管，同时由于电感的直流等效电阻对转换效率的影响较大, L3～L4应选用等效电阻低的电感, 为减小噪声辐射,应选用屏蔽电感。电路板的布线要细心操作，接地点的连线要小心处理，否则将影响各输出电压的稳定。

图4  多路电压产生电路

4 显示系统整体结构框图

LCD控制器首先从存储器SDRAM的显示缓冲区中读出图像数据并将其转换成RGB565的数据格式，然后将数据信号和LCD控制器产生的控制信号一并送入时序控制IC LZ9FC22，时序控制IC将数据信号和控制信号转换成与LCD相匹配的格式后送入LCD，最后LCD将图像显示到屏幕上。这里需要注意的是，在电路板布线时，LCD控制器到LCD屏的连线距离不可过长，最好不好超过50cm，否则容易出现显示错误。显示系统整体结构框图如图5所示。

图5  显示系统结构框图

结束语

本文设计的嵌入式显示系统，显示亮度达100尼特，在LCD高亮度的情况下模块的功耗小于365mW,克服了一般TFT-LCD高亮度伴随着高功耗的矛盾，同时由于设计的硬件驱动电路只需LCD控制器给出帧同步信号、行同步信号、像素时钟、数据使能信号和RGB数据信号，因此，为移植到不同的平台带来了较大的灵活性，实用性很强。