S3C2440A驅動RGB TFT液晶屏的研究方案

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于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和觸摸屏接口，且具備高性能、低功耗的優點，適用于智能手機、便攜式媒體播放器、手持導航儀等領域。本文基于S3C2440A嵌入式系統，以TMT035DNAFWU1為顯示設備，設計了TFT LCD驅動電路，并完成Linux下驅動顯示效果的調試。

2 TFT LCD接口時序
??? TMT035DNAFWU1的顯示分辨率為320×240，采用24位數字RGB接口，可以顯示16.7 M顏色。
??? RGB接口是為TFT LCD模組提供高品質顯示而設計的接口，該接口可以高速、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，分別用于幀、行、像素的數據傳輸。
??? 圖1為TMT035DNAFWU1模組RGB接口時序示意圖。

??????????????????????????????????? 圖1 RGB接口時序圖

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沖區通過邏輯單元傳送到外部的LCD驅動器中。它可以支持不同分辨率的顯示，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，用于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驅動器的接口時序和速率。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產生可編程控制信號來支持不同類型的LCD驅動器。
??? VSYNC和HSYNC脈沖與LCDCON2/3的HOZVAL和LINEVAL設置相關，HOZVAL和LINEVAL的值由LCD屏的分辨率決定，如下公式：
??? HOZVAL=(Horizontal display size)-1??? (1)
??? LINEVAL=(Vertical display size)-1?? (2)
??? VCLK的頻率取決于LCDCON1中CLKVAL的設置，在LCDCON1中配置，VCLK和CLKVAL的關系如下(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
??? 除數據傳輸信號接口外，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模組的接口和S3C2440A 內嵌的控制器輸出管腳，完成LCD顯示的控制線路設計。電路接口設計如圖3所示。

5 Linux下驅動程序軟件設計
5.1 幀緩沖設備
??? 幀緩沖為Linux 2.2.XX以上版本內核中的一種驅動程序接口。該接口采用mmap系統調用，將顯示設備抽象為幀緩沖區，允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區進行讀寫和I/O控制操作。幀緩沖設備屬于字符設備，采用“文件層-驅動層”的接口方式。

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，然后分配LCD顯示緩沖區。根據TMT035DNAFWU1接口時序及顯示要求，屏幕顯示分辨率Horizontal display size=320，Vertical display size=240，VCLK=6.4 MHz，而HCLK=133 MHz，故CLKVAL=9。緩沖區大小為：點陣行數×點陣列數×用于表示一個像素的比特數/8。緩沖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，需要分配的顯示緩沖區為150 kB。最后是初始化一個fb_info結構，填充其中的成員變量，并調用fbmem.C里的register_framebuffer(struct fb_info *fb info)將fb_info登記入內核。

5.3 RGB接口顯示參數調整
??? 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接口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接口顯示工作原理
??? 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。
?? 基于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接口參數配置調整前后的系統顯示對比效果圖。如果軟件初始化設置中，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
??? 設置觸摸屏接口為等待中斷模式(INT_TC中斷)，如果中斷發生，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符設備，需要對觸摸屏設備驅動程序中的全局變量struct TS_DEV進行設置，該變量用來保存觸摸屏的相關參數：等待處理的消息隊列、當前采樣數據、上一次采樣數據等信息，變量定義如下：
typedef struct{
unsigned int penStatus;
/* PEN_UP，PEN_DOWN，PEN_SAMPLE */
TS_RET buf[MAX_TS_BUF];
/*環形緩沖區*/
unsigned int head,tail;
/* 環形緩沖區的頭、尾 */
wait_queue_head_t wq;
spinlock_t lock;
}TS_DEV ;
??? 根據觸摸屏對應TFT LCD的分辨率大小，對環形緩沖區的大小進行初始化配置。

6 結論
??? 分析了RGB接口的TFT LCD模組接口工作時序，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。