基于CPLD的嵌入式真彩色液晶显示卡的设计

２０１２年第２期　工业仪表与自动化装置　・５５・　基于ＣＰＬＤ的嵌入式真彩色液晶显示卡的设计　焦宾，吕霞付，李愿，郑思远　（重庆邮电大学自动化学院，重庆４０００６５）　摘要：用可编程逻辑器件ＣＰＬＤ和两片ＳＲＡＭ设计了可用于播放２４位真彩色图像的显卡，解决　了ＣＰＬＤ和ＳＲＡＭ显示动态图像读写切换困难的问题，使用该显卡可以驱动不同型号和分辨率的液　晶屏。一方面详细介绍了该显卡的硬件电路布局，另一方面详细阐述了显卡驱动逻辑设计。通过近　一年的测试和评估，系统运行稳定，各种技术指标均达到要求，证明设计方法是切实可行的。　关键词：ＵＳＢ２．０；ＣＰＬＤ；ＧＰＩＦ模式；液晶显示时序　中图分类号：ＴＮ８７３　．９３　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—０６８２（２０１２）０２—００５５～０４　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｔｒｕｅ　ｃｏｌｏｒ　ＬＣＤ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｃａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＰＬＤ　ＪＩＡＯ　Ｂｉｎ，Ｌｔ）Ｘｉａｆｕ，ＬＩ　Ｙｕａｎ，ＺＨＥＮＧ　Ｓｉｙｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖ．ｏｆＰｏｓｔｓ　ａｎｄ　ｚｅｃ０ｍｍ“ｎ　ｃⅡ　Ｄｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃａｒｄ　ｕｓｉｎｇ　ｆｏｒ　ｐｌａｙｉｎｇ　２４一ｂｉｔ　ｔｒｕｅ　ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ａ　ＣＰＬＤ　ａｎｄ　ｔｗｏ　ＳＲＡＭ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｒｅａｄ　ａｎｄ　ｗｒｉｔｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｎ　ＣＰＬＤ　ａｎｄ　ＳＲＡＭ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｉｓｐｌａｙ．Ｔｈｉｓ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｃａｒｄ　ｃａｎ　ｄｒｉｖｅ　ＬＣＤ　ｓｃｒｅｅｎ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｏｎ　ｏｎｅ　ｓｉｄｅ，ｉｔ　ｄｅ—　ｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｌａｙｏｕｔ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｓｉｄｅ，ｉｔ　ｅｘｐｌａｉｎｓ　ｌｏｇｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｄｒｉｖｅｒｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｎｅａｒｌｙ　ｏｎｅ　ｙｅａｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅ—　ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ＵＳＢ２．０；ＣＰＬＤ；ＧＰＩＦ　ｍｏｄｅ；ＬＣＤ　ｔｉｍｉｎｇ　０　引言　随着ＬＣＤ的普及，生活中用到液晶屏的地方　越来越多。决定液晶屏的色彩显示效果的因素很　多，但最主要的两个因素是像素和面板最大色彩。　液晶屏像素的多少是厂家生产时就规定好了的，　无法改变，而最大色彩可以通过编程和电路连接　进行控制。　图１　电子绘图板系统中的液晶屏显示模块　２显示系统的硬件电路设计　在大多数情况下购买的液晶屏都没有自带驱动　电路板，ＣＰＬＤ和ＡＲＭ等控制芯片只能用于向ＬＣＤ　１　系统概述　该文所设计的液晶屏真彩色显示模块主要是应　用于电子绘图板系统，但也具有通用性，只要对硬件　电路和程序稍作修改便可应用于其他显示系统中。　系统显示部分选用的是台湾友达公司生产的８００×　传输图像数据和提供必要的控制信号，而ＬＣＤ的正　常显示还需要数字电压ＶＤＤＩＯ、模拟电压ＡＶＤＤ、控　制ＴＦＴ的开启电压ＶＧＨ、关断电压ＶＧＬ等。文中　将详细讨论用ＡＡＴ１１１８和ＮＣＰ５００７搭建ＴＦＴ—　ＬＣＤ的驱动电路和背光电路。　２．１　ＴＦＴ—ＬＣＤ的驱动电路设计　６００的ＴＦＴ～ＬＣＤ显示屏，液晶驱动控制选用的是　Ａｌｔｅｒａ公司生产的ＥＰＭ３５１２ＡＱＣ２０８，ＰＣ机通信接　口选用的ＵＳＢ芯片为Ｃｙｐｒｅｓｓ公司生产的　由于ＬＣＤ内集成有数字电路和模拟电路，需要　Ｃｙ７ｃ６８０１３。图１为系统数据传输及显示部分框图。　收稿日期：２０１１—０９—１９　外部提供数字电压ＶＤＤＩＯ和模拟电压ＡＶＤＤ。另　外，为了完成数据扫描，需要ＴＦｖｒ轮流开启／关闭。　当ＴＦＴ开启时，数据通过源极驱动器加载到显示电　极，显示电极和公共电极间的电压差再作用于液晶　实现显示，因此需要控制ＴＦＴ的开启电压ＶＧＨ、关　作者简介：焦宾（１９８７），男，重庆人，硕士研究生，研究方向为智　能仪器仪表。　・５６・　工业仪表与自动化装置　２０１２年第２期　闭电压ＶＧＬ，以及加到公共电极上的电压ＶＣＯＭ。　图像显示，也可以满足ＭＰ４播放中的动态图像显示。　当用于静态图像显示时，只用一片ＳＲＡＭ配合ＣＰＬＤ　显示屏ＴＦｖｒ—ＬＣＤ，根据其参数（开启电压ＶＧＨ　为１３　Ｖ、关闭电压ＶＧＬ为一７　Ｖ、模拟电压ＡＶＤＤ为　』工　工作的方式即可实现图像显示。动态显示时存储器　１１　Ｖ）选用台湾类比科技有限公司生产的ＡＡＴ１１１８　作为液晶显示的驱动电路芯片。芯片内部集成有３　个ＤＣ—ＤＣ转换器，其中包括２个充电泵和１个升　压转换器。１个充电泵产生正电压，作为Ｔｆｖｒ的开　启电压ＶＧＨ，另外一个充电泵产生负电压，作为　Ｔ盯的关闭电压ＶＧＬ，电路连接如图２所示。　Ｒ３　Ｒ１　６８０　ｋＱ　１００　ｋ．Ｑ　Ｒｄ　００　ｋ．Ｑ　图２　ＴＦＴ—ＬＣＤ驱动电路　２．２　ＴＦＴ—ＬＣＤ的背光电路设计　背光电路硬件连接如图３所示。　Ｖｈａｔ　Ｖｂａ　ＧＮＤ　ＧＮＤ　ＧＮＤ　图３　ＴＦＴ—ＬＣＤ背光电路　ＬＣＤ作为一种被动显示器件本身并不能发光，必　须要有背光模块提供光源。设计中的液晶屏需要提供　１２　Ｖ的背光电源，ＮＣＰ５（Ｘ）７是一款专用的ＬＥＤ背光驱　动芯片，驱动ＬＥＤ发出白光，芯片可以允许５个以内的　ＥＬＤ串联，可以提供Ａ１０４ＳＮ０３　Ｖ１背光显示所需的功　率。在Ａ１０４ＳＮ０３　Ｖ１中一共有３６个ＬＥＤ，通过改变Ｒ１　阻值的大小可以改变反馈电压，从而改变ＬＥＤ亮度。　３　２４位真彩色显示控制模块实现　在系统中所设计的液晶屏显示系统，可以应用于　各种嵌入式系统中，不仅可以满足电子相框中的静态　中的数据需要高速更新，如果只使用一片存储器，在　存储器读写切换的过程中液晶屏将会发生黑屏现象，　为了克服这一缺点，采用了２片存储器交替工作。　３．１　ＣＰＬＤ＋ＳＲＡＭ实现双口ＲＡＭ功能　为了实现图像动态显示，在系统设计中使用了２　片ＳＲＡＭ配合ＣＰＬＤ工作的方式构建显卡。以８００×　６Ｏ０的液晶屏为例，一帧图像需要１．３　Ｍ字节数据，一　般来说要实现动态显示需要每秒传输３０帧图像数　据，即每秒钟需要传输４０ＭＢｙｔｅ的数据量。动态图像　数据的传输不仅依赖于ＣＰＬＤ读取存储器数据的速　度，还要依赖于外围电路写入图像数据的速度，如图　４所示，图像数据是通过ＵＳＢ数据线到达ＵＳＢ芯片　内部的ＦＩＦＯ（４ＫＢ的先进先出缓冲区），再由ＧＰＩＦ　（通用可编程逻辑电路）从ＦＩＦＯ中取出，当ＧＰＩＦ从　ＦＩＦＯ中读取数据时会同时产生一个时钟信号，ＣＰＬＤ　接收到时钟信号就开始读取ＦＩＦＯ端口的数据，然后　将其送人ＳＲＡＭ中存储。单口的ＳＲＡＭ在读写切换　中，存储器处于写状态时写满一帧图像数据需要时间　较长，液晶屏会产生黑屏现象，不能满足动态图像显　示需求。双口ＲＡＭ从理论上来说是一种很好的选　择，但其价格昂贵，不适合用于该系统。昕以设计了　用ＣＰＬＤ控制２片ＳＲＡＭ轮流读写的方式实现动态　图像显示，在ＣＰＬＤ程序中ｓ＿ｒａｍ—ｆｌａｇ为ＳＲＡＭ１和　ＳＲＡＭ２的读写交替标志位，当存储器中写满一帧新　的图像数据时，ＣＰＬＤ检测到地址计数器已经达到所　规定值便会将当前处于写状态的存储器切换到读状　态，处于读状态的切换到写状态。当ｓ＿ｒａｍ＿ｆｌａｇ＝～１　时ＳＲＡＭ１处于读状态时，ＳＲＡＭ２处于写状态。　ＳＲＡＭ２中写满一帧数据后Ｓ—ｒａｉＹｌ—ｆｌａｇ＝～０，这时　ＳＲＡＭ２切换到读状态，ＳＲＡＭ１切换到写状态，如此交　替循环便可实现动态显示。　图４液晶屏显示原理框图　２片ＳＲＡＭ交替读写的ＣＰＬＤ程序实现：　ｉｆ　Ｓ　ｒａｍ　ｆｌａｇ＝　１　ｔｈｅｎ　ｒａｍ１　Ｗｅ＜＝　１　：　ｒａｍ２　ｗｅ＜＝　０　：　ｒａｍ１　ａｄｒ＜　ｓ　ｒｅａｄ　ａｄｒ：　２０１２年第２期　ｒａｍ２ａｄｒ＜＝ｓｗｒｉｔｅａｄｒ：　一＿—工业仪表与自动化装置　・５７・　芯片ｃｙ７ｃ６８０１３的数据端口是１６位的数据宽度，存　一ｒａｍ２ｄａｔａｒ＜＝ｕｓｂｄａｔａ２４一—＿ｒ；　储器和液晶屏接口是２４位数据宽度，为了实现图像　ｒａｍ２ｄａｔａｇ＜＝ｕｓｂｄａｔａ２４ｇ：　——＿数据的无缝传输，可以利用ＣＰＬＤ很巧妙的完成，在　设计中第一次ＤＣＬＯＣＫ信号到达时将图像数据的Ｒ、　Ｇ锁存，第二次ＤＣＬＯＣＫ信号到达时将接收到的Ｂ　连同上次锁存的Ｒ、Ｇ一起输出，然后将高８位的图　ｒａｍ２ｄａｔａｂ＜＝ｕｓｂｄａｔａ２４ｂ；　一——一ｒａｍ１ｄａｔａｒ＜＝”ＺＺＺＺＺＺＺＺ”：　一＿ｒａｍｌｄａｔａｇ＜＝’’ＺＺＺＺＺＺＺＺ”：　——ｒａｍｌｄａｔａｂ＜＝’’ＺＺＺＺＺＺＺＺ”：　——像数据Ｒ锁存，在第三次ＤＣＬＯＣＫ信号到达时再将　Ｇ、Ｂ连同锁存的Ｒ一起输出，如此循环即可实现２４　ｌｃｄｄａｔａｒ＜＝ｒａｍ１ｄａｔａ——一———ｒ：　ｌｅｄｄａｔａｇ＜＝ｒａｍｌｄａｔａｇ：　—位真彩色的图像数据无缝传输。实现程序如下：　ｗｈｅｎ　１＝＞ｕｓｂｄａｔａ２４ｒ＜＝ｕｓｂｄａｔａｌ：　—一一—＿ｌｅｄｄａｔａｂ＜＝ｒａｍｌｄａｔａｂ：　＿—＿＿ｅｌｓｅ　ｒａｍ１ｗｅ＜＝　０　：　一ｕｓｂｄａｔａ２４ｇ＜＝ｕｓｂｄａｔａｈ：　—＿～——ｗｈｅｎ　２＝＞ｕｓｂｄａｔａ２４ｂ＜＝ｕｓｂｄａｔａｌ；　—一一——ｒａｍ２ｗｅ＜＝　１　：　＿ｕｓｂｄａｔａ２４ｋｅｅｐ＜＝ｕｓｂｄａｔａｈ；　—一一—ｒａｍ１ａｄｒ＜＝ｓｗｒｉｔｅａｄｒ；　一＿—ｓ＿ｗｒｉｔｅａｄｒ＜：ｓｗｒｉｔｅａｄｒ＋　１　：　—＿—ｒａｍ２ａｄｒ＜＝ｓｒｅａｄａｄｒ：　一＿ｗｈｅｎ　３＝＞ｃｏｕｎｔ２：＝０：　一ｒａｍ１ｄａｔａｒ＜＝ｕｓｂｄａｔａ２４一——一———＿一ｒ；　ｕｓｂｄａｔａ２４ｒ＜：ｕｓｂｄａｔａ２４ｋｅｅｐ：　一一—一一ｒａｍｌｄａｔａｇ＜＝ｕｓｂｄａｔａ２４ｇ；　ｒａｍｌｄａｔａｂ＜＝ｕｓｂｄａｔａ２４ｂ；　———一一ｕｓｂｄａｔａ２４ｇ＜＝ｕｓｂｄａｔａｌ；　—＿一——ｕｓｂｄａｔａ２４ｂ＜＝ｕｓｂｄａｔａｈ：　—一——ｒａｍ２ｄａｔａｒ＜＝”ＺＺＺＺＺＺＺＺ”：　一ｓ＿ｗｒｉｔｅａｄｒ＜＝ｓｗｒｉｔｅａｄｒ＋　１　：　—＿—ｒａｍ２ｄａｔａｇ＜＝”ＺＺＺＺＺＺＺＺ”：　一—３．２液晶显示时序实现　ｒａｍ２ｄａｔａｂ＜＝”ＺＺＺＺＺＺＺＺ”；　一—在系统中选用的液晶屏是台湾友达公司生产的　１０．４”ＣＯＬＯＲ　ＴＦＴ—ＬＣＤ，型号为Ａ１０４ＳＮ０３　Ｖ１。　ｌｃｄｄａｔａｒ＜＝ｒａｍ２ｄａｔａ——一＿—＿一ｒ；　ｌｃｄｄａｔａｇ＜＝ｒａｍ２ｄａｔａｇ；　工作频率为２５～４５　ＭＨｚ，在试验中选用了　ｃｙ７ｃ６８０１３的ＩＦＣＬＯＣＫ提供的３０　ＭＨｚ时钟输出信　号作为ＤＣＬＫ的工作时钟频率。Ａ１０４ＳＮ０３　Ｖ１有两　种工作模式，分别是ＨＶ模式和ＤＥ模式，文中选择　了ＨＶ模式。其时序参数如图５所示。　ｌｅｄｄａｔａｂ＜＝ｒａｍ２ｄａｔａｂ；　——一—ｅｎｄ　ｉｆ；　真彩色的显示画面需要２４位数据宽度表示一个　像素点。在设计中很多时候控制芯片的数据端口并　不是２４位，有可能是８位或者１６位。在系统中ＵＳＢ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ（ＨＶ　ｍｏｄｅ）　Ｖｓ　Ｈｓ　Ｌｉｎｅ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ（Ｈｖ　ｍｏｄｅ）　图５液晶屏工作时序图　・５８・　工业仪表与自动化装置　２０１２年第２期　以Ａ１０４ＳＮ０３　Ｖ１液晶屏所提供的参数为例，使　用ｃｙ７ｃ６８０１３提供的３０　ＭＨｚ的时钟频率作为驱动　时钟，在ＣＰＬＤ中用状态机（图５）的形式实现图４　４　结束语　ＬＣＤ显示已经深入到日常生活中的各个方面，　该文所介绍的ＴＦＴ—ＬＣＤ显卡制作成本较低，操作　简单，已经在台湾友达公司的３２０×２４０、６００×４８０、　８００×６００的液晶屏上测试。对于不同型号的液晶　所需的时序图。ＶＳ一１，ＶＳ＿０，ｈｓ一１，ｈｓ．０，ｈｓ—ｃｏｕｎｔ分　别为帧扫描有效时间，帧扫描无效时间，行扫描有效　时间，行扫描无效时间，行扫描计数。下面通过程序　对扫描时序进行描述（其中ＤＣＬＯＣＫ代表数据时钟　信号，Ｔｈ代表一行扫描所需的完整时间，ＶＳ为帧扫　描控制线，ｈｓ为行扫描控制线）：　ｅａｓｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ——ｓｔａｔｅ　ｉｓ　屏只需修改ＣＰＬＤ程序中的一些参数即可驱动其显　示。在液晶显示驱动方面设计了液晶显示驱动程序　和驱动电路，驱动电路主要是用于向液晶屏提供　１２　Ｖ的背光电源和１８　Ｖ的差分电压。用ＣＰＬＤ和２　片ＳＲＡＭ配合工作的方式成功解决了双口ＲＡＭ价　格昂贵的问题。设计的显卡经过试验验证，图像画　面清晰流畅。　参考文献：　ｗｈｅｎ　ＶＳ１＞这时ＶＳ处于高电平，帧扫描有效，　一但并不传输数据，持续一个Ｔｈ后进入ｈｓ一１。　ｗｈｅｎ　ｖｓＯ＞这时ＶＳ处于低电平，帧扫描无效，　持续３个Ｔｈ后进入ＶＳ一１。　ｗｈｅｎ　ｈｓ一１＞这时ｈｓ处于高电平，行扫描有效，　［１］徐光辉．ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ的开发与应用［Ｍ］．北京：电子工　业出版社，２００２．　当计数到达８９个ＤＣＬＯＣＫ而且持续了２７个有效　［２］　潘松，黄继业．ＥＤＡ技术实用教程［Ｍ］．北京：科学出　版社，２００８．　的Ｔｈ后开始传输数据。当一行的有效数据时问持　续结束后进入ｈｓ＿０状态。　［３］　武安河，邰铭，于洪涛．Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ　ＷＤＭ设备驱　动程序开发［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３．　［４］　张朋，陈明，陈亚萍，等．基于ＣＰＬＤ的液晶显示器控制　系统设计［Ｊ］．弹箭与制导学报，２００６（０４）：２８—３３．　［５］　于雪磊，赵世平，蔡萌．基于ＵＳＢ和ＣＰＬＤ的高速数据　采集系统［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００８（３）：４９—５１．　ｗｈｅｎ　ｈｓ＿ｏ＞这时ｈｓ处于低电平，行扫描无效，　持续１２８个ＤＣＬＯＣＫ后进入ｈｓ—ｃｏｕｎｔ状态。　ｗｈｅｎ　ｈｓ—ｃｏｕｎｔ＞在ｈｓ—ｃｏｕｎｔ状态对行扫描进　行计数，当扫描的行数达到６４２行时，一帧数据扫描　结束，重新开始新的一帧数据扫描，进入ｖｓ＿Ｏ状态。　图６为系统中ＣＰＬＤ液晶显示驱动扫描程序所　生成的状态机。　图６状态转移　（上接第５４页）　结古｛五　日卅、　业自动化水平的提高具有积极意义。　参考文献：　该文着重论述了自主研发的一种计算机控制与　自动化仪表综合实验平台。此平台采用了国产通用　工业自动化组态软件ＭＣＧＳ开发，具有强大的实验　［１］　居滋培．过程控制系统和应用［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，２００５：１－５．　［２］　ｓⅢＮｓＫＥＹ　Ｆ　Ｇ・过程控制系统一应用、设计与整定　功能，包括实现单输入单输出一阶对象、二阶对象、　三阶对象的特性测试实验。此项目的研究，为组态　软件的应用提供了方便，同时增加了工控软件包的　控制功能，特别是在参数整定时，把现场调试移到实　验室来处理，节省了大量调试时间和经费开销，对工　伯噼・北　清华大学出版　［３］欣斯　（Ｆ．Ｇ．ｓｈｉｎ　ｋ。ｙ）．过程控制系统［Ｍ］．北京：　，清华大学出版杜２００４：２１２—２１８．