1、嵌入式系統及應用論文基于ARM的TFT-LCD顯示控制 所屬學院 電氣與信息工程學院專 業 控制理論與控制工程班 級 學 號 2014011044 姓 名 指導教師 GXKEDX基于ARM的TFT-LCD顯示控制YHL（電氣與信息工程學院，雙研2014，20141101044）摘要：隨著液晶顯示技術的發展，我們的日常生活中出現了各種各樣功能強大的顯示系統。本文首先對ARM進行了簡單的概述，以液晶顯示技術的基本原理為理論基礎，探索分析了S3C2410內部的LCD控制器以及 ARM 系統與TFT-LCD 接口連接，最后介紹了TFT-LCD 驅動程序及顯示。關鍵詞：ARM；液晶顯示 ；TFT-LCD

2、Abstract：With the development of LCD technology,There are various powerful display system in our everyday life.This article has carried on the simple outline to ARM firstly,based on the theory of the basic principle of liquid crystal display technology.The LCD controller and ARM interface in S3C2410

3、 system are explored and analyzed.Finally, the TFT-LCD driver and display are introduced.Key words: ARM; LCD; TFT-LCD一ARM概述1.1 ARM基本介紹ARM(Advanced RISC Machine)，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。ARM公司是32位嵌入式RISC微處理器技術的領導者，自從1990年創辦公司以來，基于ARM技術IP核的微處理器的銷售量已經超過100億。ARM公司作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生

4、產，靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的 ARM 微處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的 ARM 微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用 ARM 公司的授權，因此既使得 ARM 技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統成本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。1.2 ARM處理器的特性ARM處理器的三大特點是：耗電少功能強、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。ARM商品模式

5、的強大之處在于它在世界范圍有超過100個的合作伙伴(Partners）。當前ARM體系結構的擴充包括：·Thumb 16位指令集，為了改善代碼密度；   ·DSP DSP應用的算術運算指令集；   ·Jazeller 允許直接執行Java字節碼。    ARM處理器系列提供的解決方案有：    ·無線、消費類電子和圖像應用的開放平臺；   ·存儲、

6、自動化、工業和網絡應用的嵌入式實時系統；    ·智能卡和SIM卡的安全應用。  ARM處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集。一般來講存儲器比等價32位代碼節省達35，然而保留了32位系統的所有優勢。ARM的Jazelle技術使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80。CPU功能上增加DSP指令集提供增強的16位和32位算術運算能力，提高了性能和靈活性。ARM還提供兩個前沿特性來輔助帶深嵌入處理器的高集成SoC器件的調試，它們是嵌入式ICE-RT邏輯和

7、嵌入式跟蹤宏核(ETMS)系列。1 TFT-LCD 液晶顯示 2.1 LCD基本原理液晶，是一種在一定溫度范圍內呈現既不同于固態、液態，又不同于氣態的特殊物質態，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性，又具有液體的流動性。一般可分熱致液晶和溶致液晶兩類。在顯示應用領域，使用的是熱致液晶，超出一定溫度范圍，熱致液晶就不再呈現液晶態，溫度低了，出現結晶現象，溫度升高了，就變成液體;液晶顯示器件所標注的存儲溫度指的就是呈現液晶態的溫度范圍。利用液晶分子受到電壓的影響而改變其分子的排列狀態，并且可以讓入射光線產生偏轉的現象之原理，制造出的使用液晶顯示的屏幕就是液晶顯示器，英文稱 LCD（Liquid

8、Crystal Display）。在LCD 顯示器中，顯示面板薄膜被分成很多小柵格，每個小柵格有一個電極控制，通過改變柵格上的電極就能控制格內液晶分子的排列，從而控制光路的導通。彩色顯示通過利用三種原色混合的原理顯示不同的色彩：彩色面板中，每個像素都是有三個液晶單元格構成的，其中每個單元格前面都分別有紅色，綠色或藍色的過濾片;光線經過過濾片的處理變成紅色，藍色或則綠色，利用三原色的原理組合出不同的色彩。2.2TFT-LCD 結構TFT型LCD在STN型LCD的基礎上，增加了一層薄膜晶體管（TFT）陣列，每一個像素都對應一個薄膜晶體管，像素控制電壓直接加在這個晶體管上，再通過晶體管去控制液晶的狀

9、態，控制光線通過與否。TFT型LCD的每個像素都相對獨立，可直接控制，單元之間的電干擾很小，可以使用大電流，提供更好的對比度、更銳利和更明亮的圖像，而不會產生虛影和拖尾現象，同時也可以非常精確的控制灰度。TFT型LCD的結構如圖1所示。圖1：TFT型LCD的結構TFT的作用是用來主動控制每一個像素的器件，這樣就相當于在每一個像素點上設計了一個場效應開關管。多個TFT構成一個TFT液晶板，如下圖所示。因此，TFT型LCD容易實現真彩色和高分辨率。圖2：TFT液晶板TFT型LCD響應快、顯示品質好，適用于大型動畫顯示，被廣泛應用于筆記本電腦、計算機顯示器、液晶電視、液晶投影機及各式大型電子顯示器等

10、產品。近年來也在手機、PDA、數碼相機、數碼攝像機等手持類設備廣泛應用。2.3 TFT-LCD電路原理在TFT型LCD中使用的TFT是一個三端器件，其功能就是一個開關管。在TFT型LCD的玻璃基板上制作半導體層，在兩端有與之相連接的源極和漏極，并通過柵極絕緣膜與半導體相對應，利用施加于柵極的電壓來控制源、漏電極間的電流。顯示屏上的每個像素從結構上可以看作為像素電極和公用電極之間夾有一層液晶，從電學的角度可以把它看作電容。其等效電路如下圖所示。其工作原理是：要對j行i列的像素點戶(i、j)充電，就要把開關K(i，j)導通，對信號線D(i)施加目標電壓，使數據線G(j)的數據信號加到像素P點。當像

11、素電極被充分充電后，即使開關斷開，電容中的電荷也得到保存，電極間的液晶分子繼續有電場作用。數據線的作用是對信號線施加目標電壓，而行驅動器的作用是起開關的導通和斷開作用。由于加在液晶上的電壓可以存儲，因此液晶層能穩定的工作。圖3：像素結構等效電路2.4 彩色形成原理TFT型LCD中的紅、綠、藍三原色是由彩色濾光片產生的。彩色濾光片是由紅、綠、藍三種顏色的濾片，有規律地制作在一塊大玻璃基板上，每個像素（點）是由三種顏色的單元或稱為子像素所組成。如下圖所示為彩色濾光片排列圖，每個子像素的左上角（灰色矩形）為不透光的TFT。圖4：彩色濾光片排列圖子像素數量的多少與分辨率有關，一塊面板的分辨率為1280

12、×1024像素，則它實際擁有3840×1024個晶體管及子像素。一臺15.1in（英寸）的LCD（分辨率為1024×768像素）其點距為0.0118in(約為0.3mm)：而18.1in的LCD（分辨率為1280×1024像素）其點距為0.01in(0.25mm)。所以，顯示器的點距越小，分辨率也就越高。但由于顯示器的可視面積有限，點距太小勢必降低透光率，因此不可無限量地擴展分辨率。2.5影像產生原理TFT型LCD顯示屏的結構與TN型LCD顯示屏大致相同，也采用兩層玻璃基板之間填充液晶分子的設計，但由于兩者結構不完全一樣，因此其影像產生原理存在一定的區別

13、。簡單地講，TFT型LCD面板上的像素都是獨立的，為了讓每一個獨立的像素都能產生色彩，必須使用多個冷陰極燈管當作背光源。而要讓光通過每一個像素，又必須使用液晶器件來調節屏幕的光線。液晶分子可以改變它的分子結構，因此可以讓不同程度的光量通過它本身，也可完全阻斷光線。在液晶顯示屏里設置有兩片偏極片、彩色濾光片陣列及配向膜，它們可以決定光通量與顏色的產生。液晶層位于兩片玻璃板之間，由于液晶分子具有扭曲的特點，當施以電壓給取向層時，則產生一個電場，使取向層界面的液晶朝某一個方向排列。液晶分子發生偏轉使屏幕光線產生變化的原理是：當液晶分子不施加電壓時，液晶維持在它的初始狀態，會把入射光的方向扭轉90&#

14、176;，因此可以讓背光源的入射光通過整個結構，呈亮的狀態；當液晶層施以某一電壓差時，液晶分子會改變它的初始位，使液晶的排列方向不扭轉，而不改變光的極化方向，因此經過液晶的光會被第二層偏極片吸收而使整個結構不透光，呈暗的狀態。TFT型LCD的前面板設置了一個彩色濾光片，每個像素上制作紅、綠、藍三色。同時，顯示器在制作時，對基板內側進行了取向處理，使液晶分子的排列產生希望的形變來實現不同的顯示模式。在電場的作用下，液晶分子產生取向變化，并通過偏振片的配合，使入射光在通過液晶層后強度發生變化，從而實現圖像顯示。三TFT-LCD 控制器3.1 S3C2410的LCD控制器要使LCD 屏顯示圖像，不但

15、需要LCD 驅動器，還需要有相應的LCD 控制器。通常LCD 驅動器會以COF/COG 的形式與LCD 玻璃基板制作在一起，而LCD 控制器則有外部電路來實現。LCD 控制器可以通過編程選擇支持不同的LCD 屏的要求，例如行和列像素，數據總線寬度，接口時序和刷新頻率。LCD 控制器的主要作用就是，將定位于系統存儲器的顯示緩沖區的LCD 圖象數據傳送到外部LCD 驅動器。S3C2410 內部已經集成了LCD 控制器，因此可以很方便地去控制各種類型的LCD屏，例如：STN 和TFT 屏。它還支持多種LCD 顯示模式，比如單色，灰度，偽彩色或真彩色等，并提供虛擬屏功能，大圖片在顯示的時候可以上下左右

16、移動。還帶有查色表（調色板）功能。這個功能可以在LCD 顯示器上顯示最接近原始圖顏色特征的圖片。ARM 芯片連接不同的LCD 顯示設備時，需要通過設置控制寄存器來調整顯示狀態，以便正常顯示。因此，對LCD 控制器的控制實際上轉換成對映射到內存空間的寄存器值的控制。由于TFT 屏將是今后應用的主流，因此接下來，重點圍繞TFT 屏的控制來進行。S3C2410內部的LCD控制器框圖：圖5：S3C2410內部LCD 控制器邏輯示意圖S3C2410的LCD控制器是用于傳輸視頻信號，并產生必需的控制VFRAME,VLINE，VCLK,VM等等。除了這些控制信號外，S3C2410的LCD控制器還有視頻數據的

17、端VD23:0。LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、LPC3600、VIDPRCS組成。REGBANK有17個可編程的寄存器，以及用于配置LCD控制器的256*16調色板內存。LCDCDMA是一個專用的DMA，用于將顯示內存中的視頻數據自動發到LCD驅動器。VIDPRCS接收來自DMA的視頻數據，將他們轉換成合適的數據格式，例如4位單掃描，8位單掃描，4位雙掃描等。然后通過端口VD23:0發送給LCD驅動器。TIMEGEN產生各種不同時序要求的時鐘信號。TIMEGEN產生VFRAME，VLINE，VCLK，以及VM等信號。數據流程如下所述：FIFO內存存在于LCDCD

18、MA中。當FIFO空了或部分空了的時候，FIFO請求從幀內存中取數據，一次取4個字，即16字節。當傳輸請求被總線仲裁接受后，將有連續的4個字的數據從系統內存發送到內部FIFO。整個FIFO大小為28個字，由12個字的FIFOL和16個字的FIFOH組成。S3C2410有2個FIFO以支持雙掃描顯示模式。如果是單掃描模式，只有一個FIFO（FIFOH）可以用。3.2 ARM 系統與TFT-LCD 接口連接在同一系列的ARM 處理器中，S3C2410 在LCD 驅動方面可謂獨領風騷，特別在TFT-LCD方面：支持彩色TFT 的1，2，4 或8bbp 調色顯示；支持16bbp無調色真彩顯示；在24b

19、bp 模式下支持最大16M 色TFT；支持多種不同尺寸的TFT 液晶屏；最大虛擬屏幕大小4M 字節；64K 色彩模式下最大的虛擬尺寸為2048×1024 及其他。16位RGB（5:6:5）的模式，TFT-LCD與ARM系統S3C2410的硬件接口連接如圖:圖6：硬件接口連接示意圖四：TFT-LCD 驅動程序及顯示4.1 TFT-LCD 驅動控制時序如下圖中VSYNC 是幀同步信號，VSYNC 每發出1個脈沖，都意味著新的1屏視頻資料開始發送。而HSYNC 為行同步信號，每個HSYNC 脈沖都表明新的1 行視頻資料開始發送。而VDEN(VM)則用來標明視頻資料的有效，VCLK 是用來鎖

20、存視頻資料的像數時鐘。并且在幀同步以及行同步的頭尾都必須留有回掃時間，例如對于VSYNC 來說前回掃時間就是（VSPW+1）（VBPD+1），后回掃時間就是（VFPD +1）；HSYNC 亦類同。這樣的時序要求是當初CRT 顯示器由于電子槍偏轉需要時間，但后來成了實際上的工業標準，乃至于后來出現的TFT 屏為了在時序上與CRT 兼容，也采用了這樣的控制時序。VSPW: 垂直同步信號的脈寬，VBPD: 垂直同步信號的后肩，VFPD: 垂直同步信號的前肩，HSPW: 水平同步信號的脈寬，HBPD: 水平同步信號的后肩，HFPD: 水平同步信號的前肩圖7：驅動控制時序圖4.2 TFT-LCD 驅動核

21、心程序/*系統主函數*/#include "def.h"#include "2410addr.h"#include "config.h"#include "board.h"#include "utils.h"extern void Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_Test( void );extern void LcdBkLtSet(U32 HiRatio);extern void Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_Init(void);void Main(void) Boar

22、dInitStart();SystemClockInit();TimerInit(TIMER_FREQ);MemCfgInit();PortInit();SerialSwitch(0);SerialChgBaud(115200);printf("S3C2410 TouchPanel Test!n");while( 1 )printf("please enter any key to run testn");getch();Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_Init(); LcdBkLtSet(70); Lcd_Tft_LTS350Q1_PE1_T

23、est();/*The initial and control for TFT LCD-LCD*/#include "def.h"#include "2410addr.h"#include "board.h"#include "2410slib.h"#include "LCD_LTS350Q1_PE1.h"extern void printf(char *f, .) ;extern unsigned char xyx_240_320;/寬240，高320#defineFRAME_BUFFER_A

24、DDR0x33700000/0x33fd0000U16 *LCD_BUFER = (U16 *)FRAME_BUFFER_ADDR;/*320×240 16Bpp TFT LCD數據和控制端口初始化*/void Lcd_Port_Init(void) rGPCUP=0xffffffff; / Disable Pull-up register rGPCCON=0xaaaa56a9/InitializeVD7:0,LCDVF2:0,VM,VFRAME,VLINE,VCLK,LEND rGPDUP=0xffffffff; / Disable Pull-up register rGPDCON

25、=0xaaaaaaaa; /Initialize VD15:8/*320×240 16Bpp TFT LCD功能模塊初始化*/void Lcd_Init(void)rLCDCON1=(CLKVAL_TFT_240320<<8)|(MVAL_USED<<7)|(3<<5)|(12<<1)|0; / TFT LCD panel,12bpp TFT,ENVID=offrLCDCON2=(VBPD_240320<<24)|(LINEVAL_TFT_240320<<14)|(VFPD_240320<<6)|(V

26、SPW_240320);rLCDCON3=(HBPD_240320<<19)|(HOZVAL_TFT_240320<<8)|(HFPD_240320);rLCDCON4=(MVAL<<8)|(HSPW_240320);rLCDCON5=(1<<11)|(0<<9)|(0<<8)|(0<<6)|(BSWP<<1)|(HWSWP); /FRM5:6:5,HSYNC and VSYNC are invertedrLCDSADDR1=(U32)LCD_BUFER>>22)<<21)|

27、M5D(U32)LCD_BUFER>>1);rLCDSADDR2=M5D( (U32)LCD_BUFER+(SCR_XSIZE_TFT_240320*LCD_YSIZE_TFT_240320*2)>>1 );rLCDSADDR3=(SCR_XSIZE_TFT_240320-LCD_XSIZE_TFT_240320)/1)<<11)|(LCD_XSIZE_TFT_240320/1);rLCDINTMSK|=(3); / MASK LCD Sub InterruptrLPCSEL&=(7); / Disable LPC3600rTPAL=0; / Dis

28、able Temp Palette/*背光控制*/void LcdBkLtSet(U32 HiRatio)#define FREQ_PWM11000if(!HiRatio)rGPBCON = rGPBCON & (3<<2) | (1<<2) ;/GPB1設置為outputrGPBDAT &= (1<<1);return;rGPBCON = rGPBCON & (3<<2) | (2<<2) ;/GPB1設置為TOUT1if( HiRatio > 100 )HiRatio = 100 ;rTCON = r

29、TCON & (0xf<<8) ;/ clear manual update bit, stop Timer1rTCFG0 &= 0xffffff00;/ set Timer 0&1 prescaler 0rTCFG1 &= 0xffffff0f;/ set Timer 1 MUX 1/16rTCFG1 |= 0x00000030;/ set Timer 1 MUX 1/16rTCNTB1 = ( GetMasterClock()>>4 )/FREQ_PWM1;/if set inverter off, when TCNT2<=TC

30、MP2, TOUT is high, TCNT2>TCMP2, TOUT is lowrTCMPB1 = ( rTCNTB1*(100-HiRatio)/100 ;/if set inverter on, when TCNT2<=TCMP2, TOUT is low, TCNT2>TCMP2, TOUT is highrTCON = rTCON & (0xf<<8) | (0x0e<<8) ;/自動重裝,輸出取反關閉,更新TCNTBn、TCMPBn,死區控制器關閉rTCON = rTCON & (0xf<<8) | (0x0d<<8) ;/開啟背光控制/*320×240 8Bpp TFT LCD 顏色初始化*/void Lcd_Palette_Init(void) unsigned cha