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新型高分辨率LCD控制器的设计与实现.pdf

新型高分辨率LCD控制器的设计与实现.pdf

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简介:本文档为《新型高分辨率LCD控制器的设计与实现pdf》,可适用于专题技术领域,主题内容包含新型高分辨率LCD控制器的设计与实现陈重李浩陈曦(电子科技大学电子科学技术研究院四川成都):I=摘要:为了解决ARM等嵌入式处理器驱动大屏幕LCD困符等。

新型高分辨率LCD控制器的设计与实现 陈重,李浩,陈曦 (电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都611731) :I= 摘 要:为了解决ARM等嵌入式处理器驱动大屏幕LCD困难的问题,提出了一种基于FPGA的 大屏幕LCD控制器解决方案。该控制器通过搭建合理的架构设计及巧妙的总线仲裁机制,解决了大 屏幕显示所需的高刷新率和高更新率问题。同时,多个内部寄存器使其支持各种型号的LCD显示器, 并成功地驱动了15英寸的LCD显示器。 关键词:大屏幕LCD;FPGA;LCD控制器 中图分类号:’rP334 文献标识码:A 文章编号:0258—7998(2011)06一123—04 Designandimplementation0flarge—screenLCDcontroller ChenZhong,LiHao,ChenXi (ResearchInstituteofElectronicscience锄d‰hnolo舒,UESTC,Chengdu61173l,China) Abstract:’nlispaperpmvidesadesignoflarge—screenLCDcontr0Uertos01vetheproblemthatARM粕dotllerembedded processo培c如’t抽vel叫笋一screenLCD.necon昀llerresolvest}lecollflictbetweenhighrefreshratearIdhigllupdatemte,that tIlelargescreendisplayneeds,bybuildinga mtionalarchitecture粕dbusarbitrationmechanism.There百stersintheLCDcon- tmllermake岫LCDcontrouersupportv柚oustypesofLCDdisplay8.卟isLCDcontmllerh船drivena15一inchLCDmonitorsuc. cessfuⅡy. KeyworcIs:large—scr;eenLCD;FPGA;LcDcontr}oller 随着电子技术的发展,大屏幕LCD显示器越来越多 地成为各种电子设备的显示终端。但是现有的大部分嵌 人式处理器,因为其自身的总线速率限制了驱动大屏幕 LCD的能力。例如自带LCD控制器的ARM嵌入式处理 器(三星的2440),其系统总线的时钟频率最高只能达到 133MHz【11,除了要传输显示LCD屏的数据外,系统总线 还要提供其他设备的数据吞吐,所以它的 数据传输量只能满足小屏幕的显示,无法 满足高分辨率屏幕的数据显示。 市场上有很多专用的LCD控制芯片, 但是其价格较高、配置不灵活。因此,本文 基于能够高速运行的FPGA【2】为处理核心, 以SDRAM作为显示缓存,设计LCD控制 器,既能够将ARM的系统总线上的显示数 据取出,并驱动大屏幕显示数据,又能够解 决专用芯片的弊端。成功地解决了嵌入式 处理器在驱动大屏幕LCD时的资源紧张问题,并可提 供清晰稳定的图像显示。 1架构选择及硬件实现 1.1架构分析选择 根据嵌入式处理器的工作原理,有三种架构形式可 以实现LCD控制器的设计,如图1所示。架构2和架 CPU 主设备总线接口 ’r LcD控制器 上 本地存储器 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助 架构l (ZYCx2009J092);航空科学基金(20090580013) 《电子技术应用》2011年第37卷第6期 架构2 架构3 图l系统架构图 123 万方数据 构3采用r与cPU共用显示存储器的方式,在显示过 程中,CPU和LCD控制器需要间断地释放对共用存储 器的访问,以完成刷新数据和更新数据在存储器中的交 互。这两种架构中,CUP对存储器的访问会直接影响到 显示数据的更新及LCD显示器的显示效果。尽管架构2 增加了本地存储器,提高了系统性能,但是同样受到架 构模式的制约。而架构1避免了共用显示存储器的模 式,将LCD控制器作为总线上的一个外设,CPU将需要 更新显示的数据通过存储器接口发送给总线上的LcD 控制器,LCD控制器控制LCD显示。本文系统即采用了 架构l形式的架构。 1.2系统硬件设计 基于架构l设计了图2所示的硬件结构。整个系统 以FPGA对更新数据和刷新数据的仲裁处理为核心,配 合SDRAM的操作及显示数据的传输标准转换(LVDS转 换)完成其大屏幕显示器驱动的任务,实现显示功能。 CPU lsDRAM一戮:。,接口 l接几 FPGA(XC6sLx45) 大屏幕 CPU FPcAf ILcD 蒜意警 LCD曩吾l I接口 一临晶益函 显示器 电源模块 l LcD控制器 图2LCD控制器硬件结构图 XC6SIJ)(45是XILINX公司新推出的一款FPGA,属 于SPARTAN6系列,具有很高的性价比优势。利用FPGA 配置灵活的特点,在硬件方面FPGA主要实现四个接 口:CPU接口、SDRAM接口、FPGA配置接口和LCD接 口。其中,SDRAM接口和LCD接口都是常用的标准接 口,这里不再赘述。FPGA的配置接口用于对FPGA的被 动串行配置,采用FPGA的这种配置方式可以很好地提 高该控制器的可移植性,又可以节省FPGA的配置芯片 的成本。LCD控制器通过CPU接口连接到AMBA总线 上【5l,并以存储器的方式被嵌入式处理器访问。 HY57V283220是一款32bit数据总线宽度的SDRAM, 采用32bit的数据总线能够很好地提高本控制器的数据 处理速度和其驱动能力。DS90C38是一款通用的大屏幕 LCD显示器LVDS接口转换芯片,可以适用于大部分差 分接口的LCD显示器,设计中,可以很好地将FPGA产 生的RGB格式的数据转换成高速串行差分数据格式。 1.3硬件接口电路设计 控制器与CPU的接口是ARM的存储器访问接口,接 口采用异步通信方式并由26bit地址线、32bit数据总线 接入读写片选线组成,其接入接口硬件图如图3所示。 显示屏接口采用标准的大屏幕LVDS接口,通过 124 欢迎网上投稿www.cllinaaet.com ARM系统总线 图3LCD控制器系统接入接口 LVDS转换芯片与外围LCD屏幕连接,将FPGA产生的 RGB等信号转换成高速差分串行输出信号。LCD显示器 接口如图4所示。 LcD控制器 显示器 一 1XINO Rl。 T】【INl DD+ 勉。 TxI她 6l口R3.TXIN3 M—TxI眦Do_ R5L TXI}陋 贴。 1XIH27 盯一 1xIN5 G0~ G1。黧 肼 G2~TXIN9 6。。 G3一 TXINl2 Dl J “。 1XINl3 G5一1XINl4 G6.住INlO G7一TXINll “m显示器 B0~蹴 呦 Jlo Bl~ 昭~ TXINl9 B3一TXIN20Ⅸ卜 叭。 1XIN2l B5一TXIH22 B6一1XI一16 B7-TXINl8 艟一 锄 TIIM赡 -Il 髂VⅡL 1XI-匕3 Ulo Cu【~ CLKIN 姒. I j 二 TXI4 TXIN25 I r 图4LCD显示器接口 2FPGA软件设计 FPGA软件模块及功能示意图如图5所示,其软件 设计分为4个模块:(1)DCM时钟管理模块。主要功能是 利用FPGA内部DCM产生其他模块所需的时钟;(2)接 收模块。主要用来接收CPU发送来的需要更新的显示 数据,作适当处理后进行数据缓存;(3)显存管理模块。 主要用来解决CPU写入数据和LCD显示器读出数据之 间的冲突;(4)LCD驱动模块。主要用于产生LCD显示器 需要的时序。 《电子技术应用》2011年第37卷第6期 万方数据 LCD时钟 DCM时钟 sDRAM时钟 I£D 显示 LCD 管理模块 显示 缓存 驱动 FPGA时钟 时序缓存 管理 模块 模块 产生 模块 系统 LCD驱动模l ^—_^ 寄存器 JL JV叫寄存器 数据 控制 ,cPu接口人 CPU 地址 配置信号 总线 信号 通信 ———.、 转换 I y 、|。叫 模块 模块 接收 数据总线 5褂:瞄,t._h缓存、,叫 控制信号模块 接收模块 n,GA数据处理模块划分图 图51%A软件模块划分及功能示意图 2.1接收模块 接收模块的程序流程图如图6(a)所示。系统上电复 位后,接收模块进入等待接收数据状态,当有来自CPU 的数据请求时,接收模块通过CPU接口通信协议接收 数据,数据包括显示数据和存储地址。接收数据后,首先 对地址进行译码。地址分为显示数据地址和寄存器地 址:当地址为寄存器地址时,接收数据对寄存器进行操 作,用来对LCD屏的属性进行配置和控制,以增强LCD 控制器对不同LCD屏的兼容性;当地址为数据地址时, 将CPU传递的线性地址译码为SDRAM写入操作的 b锄k地址、行地址和列地址。地址译码后,将地址和数 据进行封包组帧,并且加入自动预充 电标志位,以提高SDRAM的写入数 据速度。判断预充电标志位是否有效 的依据是:数据地址是SDRAM的“行 末”地址、后一个数据不与当前数据 的行地址相同,然后将封号帧的数据 依次传入接收缓存(FIFO)中,等待显 存管理模块的读取。数据的帧格式如 表1所示。 表l数据帧格式 2.2显存管理模块 显存管理模块分为:SDRAM接口 模块和SDRAM控制模块。SDRAM接 口模块根据SDRAM的操作时序建立 SDRAM访问接口;SDRAM控制模块 仲裁cPu的显示更新数据和LCD的 显示刷新数据在SDRAM中的读写操 作,其操作机制如图6(b)所示。系统 开始 等待cPu数据 CPU数据 芏 地址i}l别 上电复位后进入监控状态,然后进入 SDRAM读操作状态,将LCD显示缓存 中存入一定量的显示数据后,管理模 块进行Ⅳ次的SDRAM刷新操作,刷新 结束后显存管理模块将一直监视接收 缓存,直到显示缓存中数据不足时则 循环进行读操作。 SDRAM是动态存储器,合理的操 作机制可以提高SDRAM的读写速度。 本控制器在SDRAM的操作上引入了 如下机制以提高系统的性能: (1)读写操作分开独立连续进行: 将SDRAM中数据连续读出固定个数 的数据,然后进入连续写入状态。 (2)连续两个数据不同行时,采用 自动预充电读写操作,同行则不进行 预充电操作。 (3)在空闲状态进行手动刷新SDRAM, 本系统的读操作是周期进行的,在每次读操作后进行固 定周期数的刷新操作,既保证了刷新次数,又节省了刷 新时间。 (4)采用32bit的SDRAM,以增加位宽换取速度。 2.3LCD驱动模块 该模块根据LCD标准的时序要求产生行时钟、场时 钟和数据使能信号,并且配合像素时钟将LCD显示缓 存中的32bit数据以16bit读出。 婶泗 王! 。 地址转换I ——r—一 .皇 . 预充电识别I 及数据打包l 数据存入接收缓存 (a)接收模块程序流程 《电子技术应用》2011年第37卷第6期 开始 缓存监控 显示缓存司 童翌 读取接收 缓存内数据 写SDRAM 操作 图6主要软件模块程序流图 兰一读sDRAM ’l 操作 数据存人显示 缓存 SDRAM刷新 操作 (b)sDRAM操作机制 125 p 万方数据 3实验验证 本设If采卅的s卟^M的I。作时钟却133MHz.为r 碱少肄班时钟造J芷的劓题,rPc^的糸境l:怍时钟世采 埔r相删%半的r作时神并Ⅱ啦功地啦川于基特薮导 航前进的理蜜抖自柏寓现t 在衙迪幽像MⅢ中.^RM 与Il’挖制器之阿的教据*为30MHh.屏幕采川rIl t婪耐T^Isls0XGl—IgrHⅢ弓的T町一IfDM苹器.D W精的丹晰率为I024x768.像索时忡为65”蛮验 结果证明.1£D控科器的上作性堍良好.肼辑娃Ⅲ清晰 豫;£利坩thop”o舻抽取t姜的敏删如囝7所示抽取 结果址示.接收刊的^IlM救掘缝娃绍帧晟后lI:确地产 牛r用于是m的敷谳 7*%BB*HⅧ 奉戈升缚r新喇商分辨半l£u控制器.钾次了火僻 辞姓小所需的高崭新翠和高世新半川聪.Il时.霉个内 部舒仃嚣使拜立持各神剁峙的Lc0址示器.井已成功 地蜥动丁15蓝寸豹IfD轻“器 参考文m 【J l ELIcnlt,、I【3s s,c2}叭32一晌f、I‘Hmnlm— mr’nufRl2M 【2J i二Ⅱ判最唰抖w*#十Fpc^的一**s*m& 水皋$《%【J】mr技术RJ.20。935(11) 『3l^10n0Ns sM5n2,1小IkmuIIIn州mI舢Ⅲhm 【hIa}啪kIR}2006 4】半n.f#.#急&sDR^M摊科#mj^澄{}与g 现lJl‘brTⅣ230f10) 5l目忐*.t盘“.r*#,尊媾r^MII^%&^式 #色Lcn控制的mifm眦^宴驯J】mf#”. 227l (啦磕H期:2010一m一08】 作者简介: 肄重.男.I%5{《iH究生.{i*究*向lU路 b最境^自 }*珥.I僻l{m.博十*充,£,f“".}《m兜^ 向:伯母蛙^眭rH,^采蟪政lf 障曦.J.1980tFt《”*n4.1.R竹£*“R自 M:啦^式最缝*发设汁, 。&*122“I 转化为m扶。堆资源丹冠的方式降低r联合贷谭分冠 竹轻杂度。柑比下DsP^M^s^算法.泼弹法隧m一定 租废l提升乐统的靠盛牲能.H蜱端n并行址理机制徒 有教拦岛最境资源讣配嫂阜.蜓符台分布式川川l一 0儿)’l最坑的设计思路。然新.m,:泼算法需要川产终 埘眨碛仝酃幅I.m此压溃仆铺蝙大.这在 定程鹰l。制 约丁系统的可霉理性.如何降低霉维联台分配算法的眨 谛玎销将是琶肯F 步的研究打阳 参考文献 孙删shId”s.m啪川"xxIh帆I_Dl_nhldIIunlr85IaarrhIINlumhr“lIlJm IMJl’Iilml~fclIEFFnⅢmoM^1%Ⅻnr 2003:l-|13 f2】smmNE11.Ⅻ圳EKHO,vlNcENTHHaI lJⅢnlⅢld、、10I川一"IvⅢnⅢkrlIv IJnb『c【,,PfWlHFElq.(sP2008.、讪a2008:203—206 13fh“#n虬l』、undM-蹁舢轴;山o#un岍山wn‰k ‘{LtⅢrtvorfllsInhkddnlenn.,Iw1IhramIonI|】一 “I州岫lfc】,EEElccMc29如09:19—22 【4】m镕zmn“mJ。蚰#zh州伽.hnw帆dt:afl nna}Ym..f#’m一}z“d,m山l“lInI州u,J 3ppH劬Ii‘In胁【cl,,IhlEEEIc心!‘瑚. 2I,噼:828—830 51Sl、"itJ、EO目,、lFKI{(}.、I、CENTH.clal f,’^mI’lJlH 川Ⅲ)帅“Ⅲ,w;mH1m姗nnH【c】,儿sⅡ28 126 瘦迎问上投稿www.chinaaet.com 【一b Canq血28:910—914 f61shenzuhnR^IuIlPaan1mulll—rh— n^l”mlⅢⅢⅧ“^l"m“us^:Ih h,IY,nInfhxn92006 }7】玛月悔,群跃叫橡m5坤多mr|^"^10-OFIⅢ乐境 十X缱。Jr载&升&算&fJlBq"Ⅸ.2008124J: 4l一45 『8l*帆针$式、IlM(1一n)M时n半"&与nmH制技 $【l&部:自f科技失{27 191^GK u C}{ENCRS MI】RflIH D iIcmh1Ⅲ8 mallonhv—Bl^针lm刊trUMMlM0,、,I川 1nh"INlJ"Ⅲl“grhⅢP川’mⅥt"ln' comm州I、HI』mf222,l一275 IOI^"ELcnRFKB-K眦Y川EN"nz删muInf"ar mu】1川M0—0rl,M叩【c1,,I蚶^2【】04.s、d— n“^u5【捌Ⅲ20叫:7“一7 (“%H脯:2010一10—26 作者柏丹: 珥《蛾女19“年々博i{:g究疗向^拽。J #自酒信挂术 踩镕."l雠5fm.Ⅲt4主翌日充^目:£a悻 动A信拄术 I^q.目.J97lt“^拦.Ⅸ#.tg日R^自:t 线与社动道f^接术 《电子技术应用2n11年第37卷第6期 万方数据 新型高分辨率LCD控制器的设计与实现 作者: 陈重, 李浩, 陈曦, Chen Zhong, Li Hao, Chen Xi 作者单位: 电子科技大学电子科学技术研究院,四川成都,611731 刊名: 电子技术应用 英文刊名: APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE 年,卷(期): 2011,37(6) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzjsyy201106041.aspx

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