S3C2440A驅動RGB介面TFT LCD的研究

1 引言
    隨著科技的進步，TFT LCD作為顯示器件在各種嵌入式系統中得到越來越廣泛的應用。帶觸摸屏的TFT LCD模組在系統應用中不僅能為人機界面提供高質量的畫面顯示，而且能提供更直觀、方便的交互性輸入。TMT035DNAFWU1是深圳天馬微電子股份有限公司生產的8.89 cm(3.5 in)TFT LCD模組，該模組內置了LCD驅動器，集成了四線電阻式觸摸屏和背光電路。S3C2440A 是三星公司設計的一款基於ARM920T內核的32位嵌入式RISC(reduced instructions set computer)微處理器，它的最高工作頻率可達533 MHz，內部集成了通用的LCD控制器、8通道10位ADC和觸摸屏介面，且具備高性能、低功耗的優點，適用於智能手機、攜帶型媒體播放器、手持導航儀等領域。本文基於S3C2440A嵌入式系統，以TMT035DNAFWU1為顯示設備，設計了TFT LCD驅動電路，並完成Linux下驅動顯示效果的調試。

2 TFT LCD介面時序
    TMT035DNAFWU1的顯示解析度為320×240，採用24位數字RGB介面，可以顯示16.7 M顏色。
    RGB介面是為TFT LCD模組提供高品質顯示而設計的介面，該介面可以高速、低功耗地完成動畫顯示，其中包含4個重要的控制信號VSYNC、HSYNC、DCLK 和VDEN，分別用於幀、行、像素的數據傳輸。
    圖1為TMT035DNAFWU1模組RGB介面時序示意圖。
 
圖1 RGB介面時序圖

3 S3C2440A LCD控制器介紹
    S3C2440A 內置的LCD控制器能將顯示在LCD上的數據從系統內部的數據緩衝區通過邏輯單元傳送到外部的LCD驅動器中。它可以支持不同解析度的顯示，如：640×480、320×240等，最大可支持24位數據的16.7 M 彩色TFT模塊，其控制器框圖如圖2所示。
 
圖2 S3C2440A LCD控制器框圖
3.1 控制總框圖
    LCD控制器主要由REGBANK、LCDCDMA兩大部分組成，用於產生必要的控制信號和傳輸數據信號，如圖2所示。REGBANK有17個可編程寄存器組和256×16的調色板存儲器，用來設定LCD控制器。LCDCDMA 是一個專用的DMA(Direct Memory Access)，自動從幀存儲器傳輸視頻數據到LCD控制器，視頻數據可以不經CPU處理直接顯示在屏上。TIMEGEN 由可編程邏輯器件組成，產生VFRAME/VSYNC、VLINE/HSYNC、VCLK/DCLK、VM/VDEN信號等，以支持不同的LCD驅動器的介面時序和速率。LPC3600與LCC3600是專用LCD控制器，在此不做詳細介紹。

3.2 TFT控制器介紹
    通過對REGBANK 寄存器組中的LCDCON1/2/3/4/5進行配置，TIMEGEN產生可編程式控制制信號來支持不同類型的LCD驅動器。
    VSYNC和HSYNC脈衝與LCDCON2/3的HOZVAL和LINEVAL設置相關，HOZVAL和LINEVAL的值由LCD屏的解析度決定，如下公式：
    HOZVAL=(Horizontal display size)-1    (1)
    LINEVAL=(Vertical display size)-1   (2)
    VCLK的頻率取決於LCDCON1中CLKVAL的設置，在LCDCON1中配置，VCLK和CLKVAL的關係如下(CLKVAL的最小值是0)：
    VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]    (3)
    HCLK為S3C2440A 中PLL時鐘發生器產生的時鐘信號。
    VSYNC的頻率即為幀頻，它與LCDCON1/2/3/4均有關，計算公式如下：
Frame Rate=1/{[(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LINEVAL+1)+(VFPD+1)1×[(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1)]×[2×(CLKVAL+1)/(HCLK)]} (4)
    公式(1)～(4)各參數數值的設置方法在§5.2中給出。

4 驅動電路設計
    除數據傳輸信號介面外，TFT LCD模組的驅動電路還包括提供給模組的電源電路、VGL、VGH、VCOM 電壓電路等。根據TFT LCD模組的介面和S3C2440A 內嵌的控制器輸出管腳，完成LCD顯示的控制線路設計。電路介面設計如圖3所示。
 
圖3 TFT LCD顯示介面電路設計
    VCOM 電壓信號由TFT LCD模組上SOURCEDRIVER IC輸出的POL信號提供。POL信號經過VCOM BUFFER電路，產生VCOM電壓信號提供給TFT LCD模組。TFT LCD模組採用行翻轉方式驅動，設計的VCOM BUFFER 電路能夠完成VCOM電壓的交流電壓成分和直流電壓成分的調節。通過調節VCOM BUFFER電路，使VCOM 中心點電壓及其幅值達到應用的要求，有效地消除TFT LCD顯示閃爍問題並改善顯示質量。

5 Linux下驅動程序軟體設計
5.1 幀緩衝設備
    幀緩衝為Linux 2.2.XX以上版本內核中的一種驅動程序介面。該介面採用mmap系統調用，將顯示設備抽象為幀緩衝區，允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩衝區進行讀寫和I/O控制操作。幀緩衝設備屬於字元設備，採用“文件層-驅動層”的介面方式。

5.2 LCD驅動設計
    TFT LCD驅動程序設計的主要工作包括：初始化S3C2440A 的LCD控制器LCDCON1～5，通過寫寄存器設置顯示模式和顏色數，然後分配LCD顯示緩衝區。根據TMT035DNAFWU1介面時序及顯示要求，屏幕顯示解析度Horizontal display size=320，Vertical display size=240，VCLK=6.4 MHz，而HCLK=133 MHz，故CLKVAL=9。緩衝區大小為：點陣行數×點陣列數×用於表示一個像素的比特數/8。緩衝區通常分配在大容量的片外SDRAM 中，起始地址保存在LCD控制寄存器中，需要分配的顯示緩衝區為150 kB。最後是初始化一個fb_info結構，填充其中的成員變數，並調用fbmem.C里的register_framebuffer(struct fb_info *fb info)將fb_info登記入內核。

5.3 RGB介面顯示參數調整
    S3C2440A 的LCD 控制寄存器主要有：LCDCON1～5。LCDCON1可以對LCD的類型、數據位數、是否需要VDEN輸出及DCLK進行設置;LCDCON2主要對VBPD、VFPD、VSPW進行設置;LCDCON3及LCDCON4對HBPD、HFPD、HSPW 進行設置;LCDCON5可以對DCLK、HSYNC、VSYNC 的極性做設置。圖4為RGB介面顯示工作原理示意圖，各個參數在實際顯示中的作用效果見圖4所示。
 
圖4 RGB介面顯示工作原理
    圖4中，最終顯示區域(DISPLAY AREA)是由像素時鐘信號(DCLK)、行同步信號(HSYNC)、幀同步信號(VSYNc)、數據使能信號(VDEN/ENABLE)共同作用的結果，其大小及位置由各參數實際配置來確定，其中HSPW、HBPD及HFPD確定顯示區域的行有效數據信息，VSPW、VBPD和VFPD確定顯示區域中幀有效數據信息。
   基於Linux下驅動顯示程序，以下為調試成功的部分源代碼：
/******s3c2440fb.c******/
#define H_SW 35;
#define H_FP 15;
#define H_BP 30;
#define V_SW 5;
#define V_FP 5;
#define V_BP 10;
……
static struct s3c2440fb_mach_info xxx_stn_info __initdata={
pixclock:PIXEL_CLOC, hpp: PIXEL_BPP,
xres:H_RESOLUTION, yres: V_RESOLUTION,
hsync_len: H_SW, vsync_len : V_SW,
left_margin: H_BP, upper_margin:V_BP,
right_margin:H_FP, lower_margin:V_FP,
sync:0, cmap_static:1,
reg:{
lcdcon1: LCD1_BPP_16T | LCD1_PNR_TFT | LCD1_CLKVAL(12),
lcdcon2: LCD2_VBPD(V_BP) | LCD2_VFPD(V_FP) | LCD2_VSPW(V_SW),
lcdcon3: LCD3_HBPD(H_BP) | LCD3_HFPD(H_FP),
lcdcon4: LCD4_HSPW(H_SW),
lcdcon5: LCD5_FRM565 | LCD5_INVVLINE | LCD5_INVVFRAME | LCD5_HWSWP | LCD5_PWREN,
},
};
    在實際的驅動程序編寫過程中，不同的TFTLCD模組的參數會有所不同，因此需要根據實際數據的有效位置進行相關的參數調整。圖5為RGB介面參數配置調整前後的系統顯示對比效果圖。如果軟體初始化設置中，未能正確地分配HSPW、HBPD和HFPD，行有效數據的位置會發生相應的錯位，表現在實際顯示中為顯示圖像的整體左右偏移，如圖5(a)所示，液晶顯示器顯示畫面向左偏移。同理，未能正確地配置VSPW、VBPD和VFPD，幀數據中有效數據的位置會發生相應的錯位，表現在實際顯示中為顯示圖像的上下偏移。

5.4 觸摸屏驅動設計
    設置觸摸屏介面為等待中斷模式(INT_TC中斷)，如果中斷髮生，立即激活相應的AD轉換。轉換模式一般選擇分離的X/Y軸坐標轉換模式或者自動(連續的)X/Y軸坐標轉換模式來獲取觸摸點的X/Y坐標。在得到觸摸點的X/Y軸坐標值后，返回到等待中斷模式。觸摸屏的驅動流程如圖6。
 
圖6 觸摸屏控制流程圖
    觸摸屏設備在Linux系統中也被定義為一個字元設備，需要對觸摸屏設備驅動程序中的全局變數struct TS_DEV進行設置，該變數用來保存觸摸屏的相關參數：等待處理的消息隊列、當前採樣數據、上一次採樣數據等信息，變數定義如下：
typedef struct{
unsigned int penStatus;
/* PEN_UP，PEN_DOWN，PEN_SAMPLE */
TS_RET buf[MAX_TS_BUF];
/*環形緩衝區*/
unsigned int head,tail;
/* 環形緩衝區的頭、尾 */
wait_queue_head_t wq;
spinlock_t lock;
}TS_DEV ;
    根據觸摸屏對應TFT LCD的解析度大小，對環形緩衝區的大小進行初始化配置。

6 結論
    分析了RGB介面的TFT LCD模組介面工作時序，以ARM920T內核的S3C2440A處理器為核心，加外圍電路構建了相應的驅動電路，完成Linux顯示驅動程序開發，實現了系統清晰穩定的顯示。帶觸摸屏的TFT LCD模組驅動電路設計及顯示效果調節方法為各種手持數碼電子產品、導航儀等嵌入式系統設計提供了一套完整的解決方案。