摘要：對基于sa1110微處理器的掌上電腦液晶顯示器的控制器、接口、顯示原理、驅(qū)動方法進(jìn)行了介紹。結(jié)合正在從事的hpc項(xiàng)目，提出了基于salll0微處理器的掌上電腦液晶顯示器的設(shè)計(jì)方案。
隨著以網(wǎng)絡(luò)為代表的新經(jīng)濟(jì)時代的到來，pc已失去昔日的光采，智能3c產(chǎn)品（computer、communicationandconsumer）將掀起新的一波巨浪。掌上電腦作為智能3c產(chǎn)品的代表之一，以其傳輸迅速、應(yīng)用方便、功能多樣等特點(diǎn)，正成為市場的主流產(chǎn)品，深受消費(fèi)者的青睞。
目前，掌上電腦cpu中比較流行的有mips系列、superh系列、dragonball系列以及arm系列。在操作系統(tǒng)領(lǐng)域，除了部分采用linux和自行開發(fā)的操作系統(tǒng)外，大部分產(chǎn)品采用palmos、windowsce和epoc操作系統(tǒng)。
為了在掌上電腦這一嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，清華大學(xué)自動化系和深圳翔龍公司決定開發(fā)具有民族自主知識產(chǎn)權(quán)的掌上電腦。這就需要選好和開發(fā)出自己的硬件平臺;同時還要開發(fā)自己的嵌入式linux操作系統(tǒng);在硬件平臺和操作系統(tǒng)之上，再開發(fā)各種具體的應(yīng)用程序，以滿足特定用戶的需求。本文介紹的液晶顯示器的設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。
1、硬件電路組成
基于salll0微處理器的掌上電腦液晶顯示器的硬件電路如圖1所示。主要由三部分組成：lcd控制器、集成電路芯片cpld和液晶顯示屏lcd。
2、salll0的lcd控制器
salll0芯片內(nèi)部集成了lcd控制器，該控制器有三種顯示類型：
·無源彩色模式：支持3375種彩色，每幀允許顯示256種彩色;
·有源彩色模式：支持高達(dá)65536種彩色（16位）;
·無源黑白模式：支持15級灰度。
lcd控制器支持高達(dá)1024×1024象素的顯屏。然而在幀存儲器中，由于存儲器的總線寬度、象素編碼數(shù)據(jù)的大小限制了lcd能驅(qū)動的顯示屏幕的大小。lcd控制器也支持單屏和雙屏顯示。象素編碼數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中，lcd的雙通道dma控制器可根據(jù)具體情況把數(shù)據(jù)裝入一個5單元（32位長）的隊(duì)列緩沖器中。dma控制器的一個通道用于單屏顯示，另一個用于雙屏顯示。
在幀存儲器中，存儲著象素編碼數(shù)據(jù)。lcd控制器將其用作指針去索引一個256單元12位寬的調(diào)色板。黑白調(diào)色板4位寬，彩色調(diào)色板12位寬。來自幀存儲器的象素編碼數(shù)據(jù)（4位）尋址黑白調(diào)色板的頂部16單元;8位象素編碼數(shù)據(jù)可訪問調(diào)色板中的256單元的任意一個。在無源彩色12位象素模式下，彩色象素?cái)?shù)據(jù)旁路掉彩色調(diào)色板并且直接送到：lcd的抖動邏輯電路。在有源彩色16位象素模式下，彩色象素?cái)?shù)據(jù)不僅旁路掉彩色調(diào)色板，而且旁路掉lcd的抖動邏輯電路，并直接送到lcd的數(shù)據(jù)管腳。一旦4位或8位的象素編碼數(shù)據(jù)選定了一個調(diào)色板單元，在這個單元中被編碼的值就被傳送到抖動邏輯電路。抖動邏輯電路使用一種空基和時基算法產(chǎn)生輸出到屏幕的象素?cái)?shù)據(jù)。抖動邏輯促使每一個象素以不同的速率在每一幀上關(guān)斷，從而給黑白屏產(chǎn)生15級灰度，為彩色屏幕的紅、綠、藍(lán)三基色中的每一種都產(chǎn)生15級色度，總計(jì)為3375種彩色（每幀可獲得256種彩色）。來自抖動邏輯電路的輸出數(shù)據(jù)在被輸出到lcd引腳和象素時鐘驅(qū)動顯示器之前，被放置在一個9單元的引腳數(shù)據(jù)隊(duì)列緩沖區(qū)內(nèi)。
根據(jù)所使用的顯示屏類型，可將lcd控制器編程為4位、8位或16位的象素?cái)?shù)據(jù)引腳。單屏黑白顯示器在每個象素時鐘周期內(nèi)既可以采用4位也可以采用8位的數(shù)據(jù)引腳去輸出4位或8位的象素。單屏彩色顯示器可以采用8位的數(shù)據(jù)引腳在每個象素時鐘周期內(nèi)去輸出2～2/3位的象素（8引腳/3種色彩/每個象素）。lcd控制器也支持雙屏顯示。雙屏顯示促使lcd控制器數(shù)據(jù)行被分成兩組，一組驅(qū)動上半屏，另一組驅(qū)動下半屏。
在此方案中，選擇了無源彩色模式。在此模式下，salll0lcd控制器的控制過程如圖2所示。
cpldpz3128是philips公司的集成芯片。由于手持設(shè)備的液晶顯示屏種類繁多，各廠家的標(biāo)準(zhǔn)不一致使salll0的lcd控制器與sharp公司的3.9寸tft有源型彩色液晶顯示器在數(shù)據(jù)格式及顯示時序上無法匹配。因此，對cpldpz3128編程，可為不同數(shù)據(jù)格式的
數(shù)據(jù)接口進(jìn)行映射，為不同類型的lcd屏配置的asic芯片。
salll0lcd控制器由以下引腳組成：
·ldd[0～7]：7位數(shù)據(jù)線，用于4位和8位顯示模式，同時也是16位tft方式的低8位;
·gpio[2～9]：當(dāng)采用的液晶模塊是16位tff方式時，構(gòu)成數(shù)據(jù)線的高8位;
·l_pclk：點(diǎn)時鐘（pixelclock），用于把每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)送人移位寄存器;
·l_lclk：行時鐘（lineclock），用于指示一行數(shù)據(jù)由移位寄存器到顯示驅(qū)動芯片傳輸完畢，并使得行指針加1。在16位tft方式下，就是水平同步信號;
·l_fclk：幀時鐘（frameclock），用于指示一幀圖像的開始，同時把行指針置于顯示屏的*行。在16位tft方式下，就是垂直同步信號;
·l_bias：在16位tft方式下，輸出允許信號，用于指示數(shù)據(jù)信號在時鐘信號的同步下，鎖存到引腳。
為了顯示一幀圖像，salll0lcd控制器首先在ram中開辟一片緩沖區(qū)作為幀緩沖（framebuffer）。存人要顯示的圖像數(shù)據(jù)，然后讓lcd控制器的dma地址寄存器指向framebuffer的起始地址，讀出framebuffer中的數(shù)據(jù)到輸入先人先出隊(duì)列（1nputfifo）。由于在本設(shè)計(jì)中采用16位方式，無需對幀緩沖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，所以lcd控制器不處理直接把數(shù)據(jù)送到輸出先入先出隊(duì)列（outputfifo）。outputfifo再將數(shù)據(jù)通過引腳送到cpld以驅(qū)動液晶顯示。由于salll0的lcd控制器擁有自己獨(dú)立的雙通道dma，同時選用了高性能sdram，能滿足顯示帶寬的需求。
3、lcd模塊
隨著價格的下降，液晶顯示由于低功耗、*、輕便而廣泛用于各種掌上設(shè)備。特別是tfy-lcd，具有高分辨率、寬視角、高對比度等優(yōu)點(diǎn)，在掌上電腦中應(yīng)用較多。
作為soc芯片的salll0中本身就帶有l(wèi)cd控制器，支持4、8、12和16位格式的多種型號的單色和彩色lcd，給的選擇帶來很大方便。根據(jù)用戶的要求考慮到實(shí)際的顯示效果，本方案選擇了sharp的3.9寸tft有源型彩色液晶顯示器，具體型號為：lq039q2ds54。
該顯示模塊是彩色反射型和有源矩陣lcd模塊，由tft彩色lcd屏、驅(qū)動芯片、fpc引線、前置燈光、觸摸屏及后封板組成。點(diǎn)陣形式為320×3×240，可以顯示圖形和文字，zui多可以顯示262144種顏色。
液晶模塊需要10個等級的標(biāo)準(zhǔn)模擬脈沖電壓v0～v9，用于lcd模塊內(nèi)部產(chǎn)生灰度顯示時的參考。這些電壓直接影響lcd顯示的色彩和灰度的準(zhǔn)確性，對其數(shù)值要求精度較高。同時，它們是脈沖信號，要求邊沿陡，以保證顯示點(diǎn)清晰。圖3為v0～v9的波形示意圖，v0～v9的幅度參數(shù)要求如表1。
表1中電壓信號的產(chǎn)生先用高精度電阻構(gòu)成陣列，用電阻分壓法產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，再由二選一開關(guān)按照lcd顯示的幀頻率進(jìn)行高速切換，在輸出端就可得到所需的標(biāo)準(zhǔn)模擬脈沖電壓。其中，二選一開關(guān)選用lmc6009，該部分電路如圖4所示。
lq039q2ds54與眾多的tft一樣，每一象素采用18位的編碼方式。紅、綠、藍(lán)每一種基色6位，即rgb666。但salll0的lcd控制器支持16位方式，因此必須把紅、藍(lán)的zui低位接地，從而形成5位紅、6位綠、5位藍(lán)的rgb565格式。這樣產(chǎn)生的色差非常小。
4、觸摸屏
通常，供掌上設(shè)備使用的觸摸屏一般都與lcd液晶屏集成安裝在一起，緊貼在lcd的表面。sharp3.9寸tftlcd（lq039q2ds54）表面裝有一個電阻式觸摸屏，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，分為x和y上下兩個極板。
通過電阻式觸摸屏，可以測得接觸點(diǎn)的位置和壓力。當(dāng)需要測試x坐標(biāo)時，首先給x極板的兩端加偏置電壓，然后測試tspy、tsmy之一或全部。它們相當(dāng)于電位器的滑動端，其測得的電壓值正比于觸點(diǎn)的x坐標(biāo)。y坐標(biāo)的測試同理，只是x極板和y極板互換而已。sharp3.9寸tftlcd（lq039q2ds54）表面安裝的電阻式觸摸屏的特性參數(shù)如下：
.輸入電壓：5v;
.x1和x2之間的電阻：320ω;
.y1和y2之間的電阻：580ω;
.x或y方向的行線性：1.5%;
.絕緣電阻大于：20mω;
.能檢測到的zui小壓力：24g。
本設(shè)計(jì)中所采用的philips公司的ucbl300不僅可以作為modem和音頻模擬前端芯片，而且它的內(nèi)部集成有觸摸屏控制器，可以一片多用，便于在掌上系統(tǒng)中使用。觸摸屏控制器的功能包括：對觸摸屏的兩層極板間施加偏置電壓，當(dāng)有點(diǎn)擊動作時，產(chǎn)生中斷信號;同時對點(diǎn)擊處的x和y方向的模擬電壓信號進(jìn)行數(shù)字量化，得到點(diǎn)擊位置數(shù)據(jù)，保存在內(nèi)部寄存器中;再通過mcp接口讀到微處理器中。
ucbl300與觸摸屏控制器相關(guān)的特征有：
（1）完整的四線電阻式（壓感式）觸摸屏接口電路，分別連接觸摸屏的4條信號線tspx、tsmx、tspy和tsmy，可以實(shí)現(xiàn)位置、壓力和極板電阻的測量。
（2）帶有內(nèi)部跟蹤保持電路以及模擬多路開關(guān)的10位連續(xù)逼近型adc，用于觸摸屏觸點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀出和外電路4個模擬電壓的監(jiān)視，其中外電路4個模擬電壓監(jiān)視用于電源管理。
（3）內(nèi)部帶有參考電壓源，為10位adc提供基準(zhǔn)電壓和虛擬地參考。這樣就可以不受電源電壓和溫度變化的影響。
（4）4線高速串行接口數(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)與主處理器salll0的mcp同步串口通信，有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)幀定義。
（5）觸摸屏的各種工作模式由ucbl300的內(nèi)部控制寄存器設(shè)置，而這些控制寄存器由salll0通過mcp同步串口來讀寫。
（6）因?yàn)橛|摸屏與lcd的近耦合，來自lcd屏的大的尖峰干擾信號會影響觸摸屏的工作，因此觸摸屏控制器內(nèi)部有4個低通濾波器，用于降低來自lcd的高頻干擾。
5、結(jié)束語
盡管目前國內(nèi)市場上的各種pda和掌上電腦產(chǎn)品比較多，某些國內(nèi)的品牌也很，但是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造上，都是靠中國臺灣地區(qū)等廠商的oem，真正自主研究開發(fā)的硬件平臺幾乎為零。因此，本項(xiàng)目中掌上電腦硬件平臺系統(tǒng)的研制成功，特別是基于instrongarmsalll0高性能cpu的樣機(jī)，在國內(nèi)仍處于地位，并且為同組人員開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序提供了硬件環(huán)境。