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标题: 基于ARM与FPGA的LCD控制器设计 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 18:48
标题: 基于ARM与FPGA的LCD控制器设计

???? 随着显示屏技术的不断发展，真彩液晶显示屏以其高分辨率、高对比度及高清晰度等优势逐渐在嵌入式显示系统中占据重要地位。目前，基于嵌入式平台的LCD显控技术的实现主要有两种方式：ARM内嵌LCD控制器和独立的控制器件。但是这两种实现方式都存在着不足之处，内嵌控制器的使用可能增大处理器的负担和限制显示帧率，而外部控制器件不仅成本高，而且专用性比较强，很难适应不同类型的液晶屏。
　　据此存在的问题，这里提出一种基于ARM与FPGA的LCD控制器设计方案，该设计方案一方面能够通过操作LINUX OS下的Framebuffer设备提高显存的写入速率及减轻处理器的负担，另一方面用FPGA来实现LCD控制器的设计，开发周期短、功耗低，同时具有灵活的移植性，可应用于不同中小尺寸的液晶显示屏。
　　1 系统组成及工作原理
　　系统主要有微控制器、FPGA(LCD控制器)、存储单元以及外设接口组成，系统组成框图如图1所示。

　　2．2 ARM9微控制器
　　该系统设计的主控单元采用ATMEL公司的AT9lRM9200(简称9200)作为MCU，该处理器是基于ARM920T内核，工作主频为180 MHz。性能可达到200 MI／s，系统采用开源的LINUX OS。但是ARM9作为系统的控制终端，需要完成信息采集、处理以及与外部通信等多项工作，而LCD控制器如果也要从内存中读出数据显示，这就会造成处理器负担，从而降低显示缓存读入数据的速率，影响LCD的实时显示。因此这里提出一种基于LINUX 0S下的Framebuffer接口的应用方法，大大提升显存读入数据的速率，从而提升整个显示系统的实时性。图3为AT91RM9200接口电路连接。

　　3．1．2 LCD控制器设计原理
　　由TFT-LCD液晶屏显示原理可知，显示所需的主要控制信号有像素时钟信号、行／场同步信号以及使能信号。该方案的显示屏分辨率为320x240，要求设计液晶显示屏的刷新频率为60 Hz，即场同步信号(VSYNC)为60Hz，刷新一屏所需时间为1／60 s，而一场则由240个行同步信号组成，那么一个行同步信号的周期为1／(60x240)s，即可得行同步信号(HSYNC)为15 kHz。同理可得像素时钟信号(CK)为5MHz。
　　采用FPGA内置的锁相环IP模块(PLL)将FPGA 50 MHz时钟信号F_CLK 10分频为5 MHz的像素时钟信号。应用状态机方法，用Verilog硬件描述语言设计时序控制模块，它为LCD提供满足时序要求的控制信号VSYNC、HSYNC以及ENAB。设计完成后在QuatuslI环境下完成时序仿真，得到的仿真结果满足时序要求，仿真图如图5所示。

　　2)驱动注册在具体设备驱动中，通过使用module_init宏与module_exit定义驱动模块的加载与卸载方法，在模块注册函数中使用plat-form_driver_register函数将具体设备的platform_driver结构体注册进入系统总线链表，platform_driver中为总线提供具体设备的probe与remove等操作方法，其示意代码如下：

　　3)Framebuffer设备注册在Linux中，通过fb_info结构体对帧缓冲设备信息进行描述。在fb_info中，较为重要的结构有fb_var_scree-ninfo、fb_var_screeninfo、fb_ops。其中，fb_var_screeninfo记录用户可修改的显示控制器参数，包括屏幕分辨率；fb_fix_screeninfo记录用户不能修改的显示控制器的参数，如屏幕缓冲区的物理地址等；fb_ops记录了具体显示设备IO操作的实现方法。驱动通过register_-framebuffer函数将fb_info记录的显示设备信息注册进Framebuffer设备链表。
　　在Linux文件系统中，Framebuffer设备的主设备号为29，次设备号为帧缓冲序号。Framebuffer设备注册后通过mknod指令在系统dev目录下创建Framebuffer设备文件节点，应用层程序可通过Framebuffer设备文件实现Framebuffer设备的访问和操作。
　　4 结束语
　　该设计方案的LCD控制器达到实时性及显示帧率的要求，每秒显示至少25帧。基于FPGA设计的LCD控制器技术具有应用广泛、移植性强、开发周期短以及成本低等优点，可以适用于众多的需要LCD液晶显示的系统或场合。

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