嵌入式系统的VGA接口设计
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引言
目前越来越多的嵌入式处理器上集成了LCD控制器。典型的如三星的S3C2410A，Intel的Xscale系列。这样可方便地外接大屏幕的LCD，且分辨率也能达到640×480，甚至800×600;色深能从6.5万色(16位)到26万色(18位)。但是大屏幕LCD的价格都比较昂贵。另一方面，普通计算机的VGA接口显示器，保有量巨大、技术成熟，如果能通过接口转换手段，让嵌入式处理器直接支持VGA显示器，则能很大地利用现有资源，节约系统成本。
LCD接口转换为VGA接口
VGA (Video Graphics Array)接口信号为模拟信号。其关键信号有5个，分别是Horizontal Sync水平同步信号(也叫行同步信号)，垂直同步信号Vertical Sync(也叫场同步信号)，Red红色，Green 绿色和Blue 蓝色。电子枪从左至右,从上至下地进行扫描，每行结束时,用行同步信号进行同步;扫描完所有行后用场同步信号进行场同步。因电子枪偏转需要时间，所以扫完回转中，要对电子枪进行消隐控制:在每行结束后的回转过程中进行行消隐;在每场结束后的回转过程中进行场消隐。消隐过程中不发送电子束。
扫描式LCD接口(以S3C2410A的LCD控制器为例图1)，在每一场完毕后，也是用VSYNC来进行场同步;每一行完毕后，也是用HSYNC进行行同步;也有VCLK像素时钟，用于锁存数据;
其场同步信号，宽度为(VSPW+1)，之前有场消隐前肩(VFPD+1)，之后有场消隐后肩(VBPD+1);
其行同步信号，宽度为(HSPW+1)，之前有行消隐前肩(HFPD+1)，之后有场消隐后肩(HBPD+1);
可以发现，扫描式LCD接口的同步信号时序和VGA接口是一致的。原因是发明LCD后，尽管显示原理不同，但为了在时序上和CRT兼容，也采用了这样的控制时序。基于此，完全能将LCD接口转换为VGA接口。
图1 三星S3C2410A的LCD信号时序图(来自S3C2410A数据手册)
方案实现
VGA接口只需Hsync和Vsync两个同步信号和RGB三个色彩分量信号。而扫描式LCD接口的同步信号的时序和VGA接口的完全一致，可直接把两个同步信号接入VGA接口。
S3C2410A的LCD控制器输出的是RGB数字信号。因此若用一些DAC芯片把RGB数字信号转换为模拟信号，即可实现VGA接口的RGB信号输入。这类视频专用DAC芯片较多，例如ADI公司的ADV7120;CHRONTEL公司的CH7004C。实验中选用的CHRONTEL公司的CH7004C。S3C2410A的LCD控制器与CH7004C的连接如表1。
表1 S3C2410A的LCD控制器与CH7004C的连接
在选择数据格式时，RGB565较合适，因为16位数据已经有6.5万色，完全足够;24位数据时每个像素实际占用32位，4个字节，传输时对S3C2410A的总线资源占用太大。
整个电路原理图如图2所示。其中一些需要注意的地方有：
CH7004C工作在从模式下，由S3C2410A的I2C控制。在实验中使用的是精度较好的日本村田(murata)的阻容元件，包括10K,360欧，75欧和10pF的电容。10K用于I2C总线的上拉，360欧用于RSET引脚接地;75欧为R，G，B三个输出管脚和地之间的终端电阻，10pF电容用于晶振。另外，CH7004C的IIC地址，是通过把ADDR引脚拉高或拉低来设定;接地时，根据芯片手册，其7位的I2C地址为1110110，最后加一个读/写位。
图2 CH7004C的电路原理图
CH7004C的关键寄存器及设置
[!--empirenews.page--] CH7004C片内有25个寄存器。其中比较关键的是Display Mode，Input Data Format，Sync Polarity三个寄存器。Display Mode显示模式寄存器，片内地址0X00，输入分辨率为640×480，由芯片手册，可选模式从Mode13到Mode17均可。实验中选择的是默认的Mode17，对应参数为0X6A。Input Data Format输入数据格式寄存器，片内地址是0X04，因为输入的数据格式为RGB565，且需打开pass-through模式，故对应参数为0X20。Sync Polarity同步信号极性寄存器，片内地址0X0D，根据输入的Hsync和Vsync的极性来设定，如果是均为负脉冲，则把VSP位和HSP位都置0;如果均为正脉冲，则把VSP位和HSP位都设置为1。实验中，把S3C2410A的LCD控制器的同步信号极性均设为低电平有效，故参数为0X00。
S3C2410A的LCD控制器设置
作为输出源，S3C2410A的LCD控制器也需要进行相应设置。需要的输出分辨率是640×480，16位色(RGB565格式),刷新率60Hz。一共有LCDCON1到LCDCON5共5个寄存器需要设置，具体参数要参考VGA时序规范和LCD时序图(图1)。所需设置的寄存器如表2。
表2 S3C2410A的LCD控制器中需要设置的寄存器
S3C2410A的LCD控制器设置
作为输出源，S3C2410A的LCD控制器也需要进行相应设置。需要的输出分辨率是640×480，16位色(RGB565格式),刷新率60Hz。一共有LCDCON1到LCDCON5共5个寄存器需要设置，具体参数要参考VGA时序规范和LCD时序图(图1)。所需设置的寄存器如表2。
表2 S3C2410A的LCD控制器中需要设置的寄存器
实验及数据
实验中，选择的操作系统嵌入式Linux，内核版本2.4.18，图形系统是Qtopia 1.7.0。bootloader选用的韩国MIZI公司的vivi。上电后，vivi将进行初始化，其中包括设置CH7004，然后再引导进入Linux。对CH7004的操作，完全可以看作对一个IIC接口的EEPROM来进行，可专门定义一个函数IIC_Write()来写数据。例如对IDF寄存器的设置为I2C_Write(0xec,0x04,0x20)。设置好后，CH7004的所有寄存器数据如表3。
实验中还发现，设定SPR同步信号极性寄存器时，如果都设同步信号为正脉冲有效，接显示器也能正常显示，但是有闪烁。负脉冲有效则无这种情况，故推荐均设置为负脉冲有效。
表3 正常工作时,CH7004C的各个寄存器读出的数据
结语
本文提供的LCD接口转换为VGA接口的解决方案，经过实际验证，切实可行。在Linux和Windows CE 4.2两种嵌入式操作系统下均进行了测试，Linux下VGA显示器的画面非常稳定;在Windows CE 4.2下基本稳定，略有闪烁。该方案最大特点在于让嵌入式系统直接支持VGA显示器，具备较大的实际应用意义。
图3 Linux下外接VGA显示器
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