LCD控制器驱动的24位TFT真彩屏接口设计

1万 · 2009-12-9 09:20

在嵌入式设计中常常会使用LCD屏，现在常用的屏大部分都是高性能的。因为LCD屏的生产厂商很多，标准也不统一，LCD屏往往不能与LCD控制器无粘合连接，所以在使用LCD屏时，厂家还会推荐使用其专为LCD屏是设计的时序芯片，例如，Sharp的LCD LQ035Q7DB02配套的控制器为LZ9FC22；日本的LCD屏是16位色的，本身价格很高，控制器成本也非常高，性能却不见得好，采用高性能的24位真彩色屏是比较理想的，但接口逻辑需要重新设计。
1 RGB565－RGB888的转换
以友达光电AUO生产的A06QU01[1]为例，这是一种24位的TFT真彩屏，分辨率为320×240，每个象素由RGB888表示，其控制时序如图1所示，LCD要求的时序由帧同步（VSYNC）、行同步（HSYSNC）、比特时钟（DCLK）及数据（Data[0：7]）构成，帧同步和行同步指示每一帧和每一行的开始。A06QU01每帧240行，每行320个象素，每个像素由依次产生的8b红、8b绿、8b蓝（R1，G2，B3，R4，G5，B6…）构成，所以称为RGB888。

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以PXA25x为代表的嵌入式处理器拥有一个LCD控制器，可以将这个控制器配置为最高16位的TFT LCD屏控制器，其控制时序如图1所示，LCD要求的时序由帧同步（VSYNC）、行同步（HSYSNC）、点时钟（PCLK）及数据（Data[0：15]构成，帧同步和行同步指示每一帧和每一行的开始。对于A06QU01，每帧将有240行，每行有320个像素，每个像素由5b红、6b绿、5b蓝构成16位数据，称为RGB565。
将RGB565转换为RGB888要解决2个问题：
1）比特时钟3倍频。LCD控制器每一个像素用一个时钟1次送出16b数据，而LCD撩扛鱿袼匦枰?个时钟，每次获得8b。这样就需要产生1个3倍于点时钟PCLK的时钟。
2）16b到24b数据分解。在LCD控制器送出16b数据时，需要缓存，并分解出RGB信号分别送出，5b红、6b绿、5b蓝构成16位数据可以采用补0的方法，构成8b红、8b绿、8b蓝。数据高位补0时色彩较柔和，低位补0时彩色较艳丽。
通常情况下，使用模拟锁相环技术可以实现均匀倍频，在这个设计中，3倍频时钟与RGB数据必须同步，否则会出现颜色错位；同时锁相环还需要数据分解电路配合使用，这样一个数字和模拟混合的电路会增加成本，因而特别设计使用了数字电路实现非均匀3倍频。具体方案是：使用一个大于6小于7倍的LCD屏比特时钟作为CPLD的主控制时钟，LCD屏的时钟频率约为7M赫兹，所以选择CPLD的主控制时钟频率为48M赫兹。如图1所示，pclk为控制器输出的点时钟，pdata为RBG565数据，pclkout和pdataout是送往LCD的信号，x7pclk为CPLD的定时时钟，在pclk上升沿将pdata存入缓冲器pdatabuf，并将内部状态位datavalid置位，在x7pclk的上升沿，如果检测到datavalid为高，则使pclkout为低，将缓冲器中的数据取出高5位红色信号，补零后送到pdataout，并将datavalid置为低，在下一个x7pclk的上升沿将pclkout置高，8b数据送出到LCD屏。使用这种方法依次将绿色及蓝色信号送出，在蓝色信号送出后，保持pclkout为高，直到下一个datavalid为高，进入下一次转换，从图1中可以看出，数字3倍频信号pclkout不是均匀的，蓝色数据时钟的占空比不是50％。根据LCD屏数据手册的要求，pclkout的占空比变化容许的范围是40％－60％，因而只要调整好x7pclk的时钟频率，还是比较容易产生符合占空比要求的pclkout时钟的，LCD屏正常工作还需要帧同步（VSYNC）和行同步（HSYSNC）信号，这些信号可以由软件驱动程序编程产生。
2 LCD背光及LCD偏置的电源产生器
LCD屏需要特殊的供电，用于背景照明和LCD偏置，现在使用的小尺寸LCD大多数使用LED作为背光，以及－10V的偏置电压，本设计使用的LCD屏是2路各4个白光LED串联，每路需要的供电电压约为10V，电流为20mA。LCD偏置电压为－10V，电流为3－5mA。这些电源利用LCD控制器内部的电源控制器实现。如图2所示，由L1、V1构成升压型DC－DC转换器，L1为高频功率电感，V1为高频小功率开关晶体管。C4和R1构成的微分电路可以提高V1的导通和关闭速度，有利于提高电源效率，V1由脉冲宽度调制信号控制，在导通期间使用L1存储能量，在关闭时电感向负载释放能量，这样V1的集电极上生成高压脉冲信号，这个信号经过D1、C3和C6整流滤波后得到用于LED供电正电压，同样经过C2隔直流后再整流滤波得到用于LCD偏置的负电压，注意，电容C7是正端接地的。LED电流限制使用图3所示的电路，V3和V4为LED驱动管，V2为电流采样管，V2、V3、V4是3个型号相同的晶体管。这3个晶体管的基级相连，因而基极电压相等。因为型号相同，所以基极到发射极电压近似相等，于是，R3、R6、R7上的压降近似相等，这样R3、R4上的电流被转换为R2上的反馈电压。控制器根据反馈电压自动调整图2中的PWM控制信号的占空比，从而改变输出LED供电电压，使反馈电压稳定在0.6V，通过LED的电流稳定在22mA，LCD偏置电压大约稳定在－10V。

3 数字倍频及数据分解实现
RGB565－RGB888转换器用XC9536实现，如图4所示，来自LCD控制器的信号为：16b数据L_DD0..15、同步信号L_FCLK及L_LCLK、点时钟信号L_PCLK，输出到LCD屏的信号为：8b数据信号LCD_D0..7、同步信号LCD_VSYNC及LCD_HSYNC、时钟信号LCD_DCLK。X7CLK来自于48M赫兹的晶体振荡器，使用Verilog HDL开发。如果连接无误，则上电后加载带有TFT屏驱动的嵌入式Linux内核，一般在LCD屏左上角能看到企鹅图案，如果实际显示的图案位置和色彩不正确，则需要根据实际看到的图像调整LCD控制寄存器中的时序设置，实现正确的显示。
4 总结
由于接口标准不统一、将一个新型号的LCD屏接到嵌入式处理器比较困难，需要认真分析LCD控制器及LCD屏的时序和驱动方式，使用低价可编程逻辑电路，可以实现接口的时序转换，LCD屏需要的背光电源及偏置电源可以按本文所述方法，利用LCD屏内部集成的电源控制器实现，也可以通过外接专用的LCD背光电源和LCD偏置实现。