浅谈嵌入式系统的VGA接口设计

引言

随着液晶技术的日益成熟，液晶显示器在显示技术中得到了越来越广泛的应用。当前LCD显示技术已经成为新一代平板技术显示技术的主流。LCD显示屏幕主要包括液晶屏幕，驱动电路以及控制驱动电路的系统。我们设计的LCD控制器主要是用来控制RGB模式的数据以及MCU模式的命令，参数的传输，实现LCD的控制功能。 RGB模式主要有16bit输入，16bit输出； 16bit输入，18bit输出； 18bit输入，16bit输出；18bit输入，18bit输出；4种模式的传输。本文就LCD的驱动进行分析，介绍，提出硬件电路的设计以及验证方法。

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。LCD接口转VGA（简称LCD2VGA）是一款以FPGA 做为桥接芯片，集成高效显存技术的视频转换卡。不同于简易的D/A转换模式，LCD2VGA上的FPGA能够自动将LCD接口提供的刷新频率提高到CRT显示器所需要的高刷新频率，解决了简易的D/A转换模式下屏幕闪动的问题。带有LCD控制器的CPU 通过此视频卡，可以驱动带VGA 接口的液晶显示器或CRT 显示器。LCD2VGA能够支持16bppTFT（真彩）型数字LCD接口向VGA接口的转换，兼容640×480、800×600、1024×768三种分辨率，支持输出60Hz刷新率；其工作方式和工作时序与TFT（真彩）LCD 完全一样。

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

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

CH7004C片内有25个寄存器。寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。寄存器的功能十分重要，CPU对存储器中的数据进行处理时，往往先把数据取到内部寄存器中，而后再作处理。外部寄存器是计算机中其它一些部件上用于暂存数据的寄存器，它与CPU之间通过"端口"交换数据，外部寄存器具有寄存器和内存储器双重特点。有些时候我们常把外部寄存器就称为"端口",这种说法不太严格，但经常这样说。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

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，即I2C,一种总线结构。IIC 是作为英特尔IC 的互补，这种总线类型是由菲利浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要是用来连接整体电路（ICS） ,IIC是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实施数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线。例如：内存中的SPD信息，通过IIC,与BX芯片组联系，IIC 存在于英特尔PIIX4结构体系中。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是一类Unix计算机操作系统的统称。Linux操作系统的内核的名字也是"Linux".Linux操作系统也是自由软件和开放源代码发展中最着名的例子。严格来讲，Linux这个词本身只表示Linux内核，但在实际上人们已经习惯了用Linux来形容整个基于Linux内核，并且使用GNU 工程各种工具和数据库的操作系统。Linux得名于计算机业余爱好者Linus Torvalds.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