李輝祥，黃光明

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

1972年，美國(guó)人 （西屋公司）首次提出一個(gè)全新的構(gòu)思——薄膜晶體管液晶顯示器 （Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display），英文縮寫(xiě) TFT-LCD[1]。 此后，TFT-LCD 便經(jīng)歷了飛速發(fā)展。發(fā)展至今，TFT-LCD占LCD市場(chǎng)的比例超過(guò)90%，成為液晶乃至整個(gè)平板顯示技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，其產(chǎn)品應(yīng)用包括便攜式移動(dòng)產(chǎn)品、桌面顯示器、電視機(jī)、特殊工業(yè)、航空、醫(yī)遼用途以及公共顯示等領(lǐng)域[2]。TFT-LCD之所以能取得如此驚人的成績(jī)，與它的出色品質(zhì)是分不開(kāi)的——TFT-LCD是目前唯一在亮度、對(duì)比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過(guò)CRT的顯示器件[3]。

使用彩色TFT-LCD需要為其提供較復(fù)雜的時(shí)序信號(hào)，并配備高速大容量顯存。因此，TFT-LCD控制器顯得十分重要。目前對(duì)TFT-LCD的控制方式主要有3種：1）使用專(zhuān)用TFT-LCD控制芯片，如臺(tái)灣瑞佑科技股份有限公司的RA8875；2）使用內(nèi)置TFT-LCD控制器的 MCU，如三星公司的S3C2440；3）基于FPGA或CPLD設(shè)計(jì)的 TFT-LCD控制器。然而，使用專(zhuān)用顯示芯片進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)易受器件斷檔影響，不利于長(zhǎng)期量產(chǎn)。另一方面，并不是所有的嵌入式處理器都內(nèi)置TFT-LCD處理器，尤其是在中低端領(lǐng)域。因此，基于FPGA或CPLD設(shè)計(jì)的TFT-LCD控制器顯得靈活性更強(qiáng)，并且性?xún)r(jià)比較高[4]。

基于FPGA或CPLD設(shè)計(jì)TFT-LCD控制器時(shí)，系統(tǒng)的難點(diǎn)在于如何解決MCU或TFT-LCD同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)SRAM所造成的沖突。常見(jiàn)的做法有兩種：1）基于“乒乓操作”的思想，使用雙倍的存儲(chǔ)容量，MCU和LCD按照時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式輪流訪(fǎng)問(wèn)SRAM；2）設(shè)計(jì)合理的總線(xiàn)仲裁邏輯，結(jié)合FIFO的特點(diǎn)優(yōu)先響應(yīng)MCU對(duì)SRAM的寫(xiě)操作。在方式1）中，存儲(chǔ)容量的加倍很顯然會(huì)帶來(lái)成本和體積的增加。對(duì)于方式2），如果MCU長(zhǎng)時(shí)間對(duì)SRAM發(fā)送數(shù)據(jù)，LCD將得不到顯示數(shù)據(jù)而出現(xiàn)花點(diǎn)[5]。

針對(duì)上述弊端，本文提出一種基于CPLD的TFT-LCD控制器的設(shè)計(jì)方案。以CPLD為核心器件，外加相應(yīng)容量的SRAM作為顯示緩存，為T(mén)FT-LCD提供完整的時(shí)序信號(hào)及數(shù)據(jù)。同時(shí)仿照單片機(jī)響應(yīng)外部中斷的工作方式，成功實(shí)現(xiàn)MCU和TFT-LCD對(duì)SRAM的共享訪(fǎng)問(wèn)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，LCD控制器主要包含CPLD和SRAM兩款芯片。SRAM可根據(jù)所用TFT-LCD分辨率的大小和設(shè)定RGB數(shù)據(jù)的位寬合理選擇容量，例如LCD的分辨率為320×240，RGB數(shù)據(jù)位寬為16，則SRAM的容量最小為76 800個(gè)字，選取128 k字的容量比較合適。CPLD相對(duì)于FPGA，固件掉電不丟失，一旦編程完畢便可作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊在系統(tǒng)中使用。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

CPLD作為系統(tǒng)的控制核心，需要完成諸多功能：接收外部MCU的數(shù)據(jù)和命令；生成TFT-LCD所需的時(shí)序信號(hào)；實(shí)現(xiàn)MCU和TFT-LCD對(duì)SRAM的共享訪(fǎng)問(wèn)。因此，CPLD固件的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的關(guān)鍵，其質(zhì)量直接影響最終的顯示效果。

2 CPLD固件設(shè)計(jì)

CPLD的功能框圖如圖2所示，可以看出CPLD要實(shí)現(xiàn)的功能模塊主要包括MCU接口模塊、SRAM讀寫(xiě)模塊和LCD時(shí)序發(fā)生模塊。這部分將對(duì)各個(gè)模塊逐一作簡(jiǎn)單說(shuō)明。

2.1 MCU接口模塊

MCU接口模塊負(fù)責(zé)接收微控制器的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的地址和數(shù)據(jù)以對(duì)SRAM進(jìn)行寫(xiě)操作。除了常規(guī)的總線(xiàn)操作信號(hào)，如地址、數(shù)據(jù)、地址鎖存信號(hào)和寫(xiě)信號(hào)，該模塊還要求微控制器發(fā)送一個(gè)握手信號(hào)，用“1”和“0”表示。

在具體應(yīng)用過(guò)程中，微控制器需要完成的工作很簡(jiǎn)單，那就是告訴LCD控制器把哪一個(gè)像素點(diǎn)點(diǎn)亮成哪一種顏色。像素點(diǎn)的區(qū)分可以根據(jù)行列坐標(biāo)值來(lái)指示，顏色的區(qū)分可以根據(jù)LCD的參考手冊(cè)給出的RGB值來(lái)進(jìn)行，于是微控制器需要發(fā)送的數(shù)據(jù)有3種：行坐標(biāo)值、列坐標(biāo)值和RGB值。MCU接口模塊使用3個(gè)寄存器分別接收這3種數(shù)據(jù)，然后將行列坐標(biāo)值映射成SRAM中對(duì)應(yīng)的地址，并使用寄存器暫時(shí)存起來(lái)，RGB值直接存入該地址單元即可。例如，LCD屏的分辨率為320×240，行坐標(biāo)值為H_Value，列坐標(biāo)值為V_Value，則映射到SRAM的地址為H_Value×320+V_Value。

為了保證上述通信的正確性，握手信號(hào)是必不可少的。握手信號(hào)的‘1’和‘0’分別指示“發(fā)送”狀態(tài)和“空閑”狀態(tài)，其意義在于告訴MCU接口模塊何時(shí)進(jìn)行地址映射。如果在“發(fā)送”狀態(tài)進(jìn)行地址映射，則可能將新接收的行坐標(biāo)值與還沒(méi)來(lái)得及更新的舊的列坐標(biāo)值進(jìn)行映射操作，這顯然會(huì)計(jì)算出一個(gè)錯(cuò)誤的地址，最終導(dǎo)致LCD上出現(xiàn)不應(yīng)該存在的花點(diǎn)。因而地址映射操作只能在“空閑”狀態(tài)進(jìn)行，這樣才能顯示出正確的圖像。

圖2 CPLD的功能框圖Fig.2 Functional block diagram of CPLD

2.2 SRAM讀寫(xiě)模塊

SRAM讀寫(xiě)模塊是整個(gè)固件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，既要完成MCU接口模塊對(duì)SRAM的寫(xiě)操作，又要滿(mǎn)足LCD對(duì)SRAM的數(shù)據(jù)需求。LCD需要的數(shù)據(jù)是一段段的數(shù)據(jù)流，而微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的動(dòng)作卻是隨機(jī)的。因此SRAM讀寫(xiě)模塊必須在不破壞正常數(shù)據(jù)流的前提下，達(dá)到一定的實(shí)時(shí)性要求，做到不丟失微控制器發(fā)送的有效數(shù)據(jù)。

為了達(dá)到上述目的，本方案借鑒單片機(jī)響應(yīng)外部中斷的思想——在每個(gè)機(jī)器周期都檢測(cè)一次外部中斷。按照這種思路，SRAM讀寫(xiě)模塊將微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的動(dòng)作看成外部中斷，每間隔一定數(shù)量的讀SRAM操作便插入一個(gè)寫(xiě)SRAM的操作。只要SRAM讀寫(xiě)模塊的工作頻率足夠高，便可以及時(shí)響應(yīng)微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。

LCD的工作頻率一般都有標(biāo)稱(chēng)值，或是在某一個(gè)比較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。假設(shè)LCD的工作時(shí)鐘為DCLK，其頻率為fD；SRAM讀寫(xiě)模塊的工作時(shí)鐘為SCLK，其頻率為fS。本方案設(shè)置fS=3fD，且圖2中數(shù)據(jù)緩沖單元由四個(gè)寄存器組成，分別是m0、m1、m2和m3?，F(xiàn)分以下兩種情況加以詳細(xì)說(shuō)明。

第一種情況，當(dāng)LCD的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)有效時(shí)。數(shù)據(jù)緩沖單元會(huì)按照DCLK的節(jié)拍依次從m0、m1、m2和m3中取出數(shù)據(jù)送到RGB數(shù)據(jù)線(xiàn)，而且取出m3中的數(shù)據(jù)后返回到m0取數(shù)，即讓m0、m1、m2和m3組成一個(gè)循環(huán)隊(duì)列。與此同時(shí)，SRAM讀寫(xiě)模塊按照SCLK的節(jié)拍，以12個(gè)SCLK為一個(gè)動(dòng)作周期。在該動(dòng)作周期的前9個(gè)SCLK順次累加地址從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，并更新到m0、m1、m2和m3中；在后3個(gè)SCLK插入一個(gè)寫(xiě)SRAM操作，而寫(xiě)SRAM的地址和數(shù)據(jù)來(lái)自MCU接口模塊中等待的地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。如此一來(lái)，m0、m1、m2和m3中各個(gè)寄存器的更新一定發(fā)生在讀取本寄存器之前，保證了數(shù)據(jù)的正確性。同時(shí)可以及時(shí)響應(yīng)微控制器的寫(xiě)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，做到不丟失數(shù)據(jù)。該部分狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 讀寫(xiě)SRAM狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.3 State transition diagram when reading or writing SRAM

第二種情況，當(dāng)LCD的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)無(wú)效時(shí)。因不需要從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，這段時(shí)間便全部被用來(lái)執(zhí)行寫(xiě)SRAM的操作。只要微控制器不發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU接口模塊中的地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器便不會(huì)改變，此時(shí)即使重復(fù)向SRAM中某個(gè)單元寫(xiě)入相同的數(shù)據(jù)也不會(huì)影響顯示效果。

2.3 LCD時(shí)序發(fā)生模塊

該模塊的主要功能是生成LCD要求的時(shí)序信號(hào)[6]，并向SRAM讀寫(xiě)模塊發(fā)送正確的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)。

LCD的時(shí)序信號(hào)可分為兩類(lèi)：一是在HV模式下的行同步信號(hào) （HSYNC）、場(chǎng)同步信號(hào) （VSYNC）和數(shù)據(jù)使能信號(hào)（DEN），二是在DE模式下的同步信號(hào)DE。這兩類(lèi)LCD時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程很相似，只要多個(gè)計(jì)數(shù)器協(xié)調(diào)工作，很容易產(chǎn)生這些信號(hào)。為便于觀察，現(xiàn)以DE模式為例，其仿真圖如圖4所示，從圖4中的Hsync和den信號(hào)可以看出DE信號(hào)的生成過(guò)程[7]。

圖4 DE信號(hào)仿真波形圖Fig.4 Simulation diagram of DE signal

本模塊的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)ramread_bit實(shí)際就是HV模式下的數(shù)據(jù)使能信號(hào)DEN或DE模式下的DE信號(hào)左移一個(gè)DCLK產(chǎn)生的，它的目的是指示SRAM讀寫(xiě)模塊何時(shí)需要更新數(shù)據(jù)緩沖器，并在每一行的掃描前一個(gè)DCLK準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。仍以DE模式為例，其仿真圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)ramread_bit仿真圖Fig.5 Simulation diagram of data requesting signal ramread_bit

3 功能實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

本測(cè)試平臺(tái)采用altera公司MAXⅡ系列產(chǎn)品EPM240T100C5N和ISSI公司的SRAM產(chǎn)品IS63LV1024，而液晶屏選用臺(tái)灣奇美電子的產(chǎn)品LO035NC111。LO035NC111是一款3.5寸的TFT-LCD，顯示數(shù)據(jù)位寬最大支持24位，本方案使用R5G6B5格式。顯示效果如圖6所示，測(cè)試表明本控制器達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本TFT-LCD控制器以低成本的MAXⅡ系列CPLD為基礎(chǔ)，外加一片適當(dāng)容量的SRAM為顯示緩存，適用于驅(qū)動(dòng)小尺寸TFT-LCD。經(jīng)測(cè)試，工作穩(wěn)定可靠，性?xún)r(jià)比高。

圖6 顯示效果圖Fig.6 The result of display

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