如何設計及實現基於ARM9的彩色TFT-LCD模塊?

1 引 言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201807/384610.htm

TFT-LCD因其厚度薄且畫面質量優異，可以實現信息的高速度、高亮度及高對比度顯示，已廣泛應用於圖像顯示系統中。雖然TFT-LCD具有良好的顯示性能，但TFT-LCD的驅動信號非常複雜，同時外圍的控制單元需要處理的數據量非常大，以一個解析度為640×480的彩色TFT-LCD為例，顯示一幅彩色圖像就需要處理900kbyte的數據量，這對於傳統的單片機等處理器顯得無能為力。由於圖像數據量大，目前圖像大都採用壓縮後再存儲，其中JPEG (Joint PhotographicExperts Group)格式的壓縮圖像應用最為廣泛。

為了解決圖像等大容量數據在TFT-LCD顯示屏上的應用，本文提出了一種基於ARM9處理器S3C2440X的彩色液晶顯示模塊。模塊能夠實現對字符及彩色RGB格式圖像的顯示，同時還可以顯示JPEG格式的圖像。由於液晶顯示屏只能接收RGB格式的圖像數據，為了實現對JPEG格式的圖像顯示，必須對壓縮圖像進行解壓縮，JPEG格式圖像的解碼功能在ARM9處理器上實現。本文提出的方法簡化了彩色TFT-LCD圖像顯示的設計難度，同時為JPEG格式的解碼及液晶顯示提供了一種實現方法。液晶顯示模塊可以方便地與外接系統接口，實現圖像顯示模塊的功能。

2 模塊結構設計與分析

模塊硬體包括4個部分：ARM9S3C2440X處理器、數據存儲模塊、液晶顯示模塊及RS232串口通信模塊。模塊中使用了兩種非易失性快閃記憶體NAND Flash和NOR Flash。考慮到NOR Flash具有晶片內執行及可靠性高的特點，使用它來存儲ARM9處理器運行的程序代碼;存儲容量大且高單元密度的NAND Flash用來存儲海量數據，作為圖像庫及字符庫的存儲單元。SDRAM 作為外擴存儲器使用。TFT-LCD LQ080V3DG01作為模塊的顯示屏使用。與其他外部模塊通信採用RS232串口方式。

模塊實現的主要功能有：JPEG 格式圖像的解碼;支持24bit彩色RGB圖像數據及JPEG兩種格式圖像的顯示;字符的顯示;數據存儲容量為64Mbyte，可以實現對圖像庫及字符庫的更新;可以設置不同的串口波特率。模塊功能框圖如圖1所示。

圖1 模塊功能框圖。

2.1 ARM9嵌入式處理器S3C2440X

S3C2440X是一款基於ARM920T 內核、主頻最高達400MHz、適用於嵌入式應用的RISC處理器。它支持可配置的8，16，32bit數據總線寬度。在存儲器接口方面，最多可以擴展6個通道的ROM 或RAM 存儲器，以及2 個通道的SDRAM，同時它還支持NAND Flash、NORFlash存儲器擴展。

它內部的ARM920T 內核具有高速微控制器總線(AMBA BUS)結構及哈佛結構的高速緩衝存儲器(Cache)，高速緩衝分別是16kbyte程序及16kbyte數據存儲器，使其具有良好的高速性能[3];具有豐富的外圍設備，包括LCD控制器、UART、USB、SD 及SPI等接口，可以滿足不同的設計要求。

2.1.1 LCD控制器

S3C2440X內部LCD控制器接口支持STNLCD及TFT-LCD的無縫連接，它支持單色、調色板彩色及24bit真彩色的顯示。根據不同的設計要求，通過程序編程可以實現相應的LCD解析度，數據格式及幀頻等設置，從而滿足各種類型的LCD模塊。S3C2440XLCD控制器用來傳輸視頻數據VD [23：0]，同時產生相應的控制信號VSYNC、HSYNC、VDEN及LEND，時序圖如圖1所示。實現LCD 控制器功能的關鍵是根據LCD時序的要求，合理配置控制器寄存器。

圖2 TFT-LCD時序圖。

圖1中的信號定義如下：

VSYNC：LCD控制器和LCD之間的幀同步信號，高電平有效時表示一幀圖像的起始。

HSYNC：行同步信號，由水平有效像素的大小決定。

VCLK：LCD時鐘信號，在一個時鐘周期內數據送入LCD移位寄存器內。

VDEN：數據使能信號，高電平表示數據有效。

LEND：行結束信號。

VD[23：0]：RGB數據信號線。對於24bitTFT-LCD，R、G、B各佔8位;而對於16bit TFT屏有兩種方式：5∶6∶5及5∶5∶5+1，使用時需要注意要與相應TFT-LCD的信號相一致。

2.1.2 數據存儲模塊

NAND Flash是一種固態內存，與EEPROM相比，具有讀寫速度快的優勢;與SRAM 相比，具有非易失性等優勢。圖像尤其是彩色圖像數據量大，因此需要考慮使用大容量的存儲器來存儲圖像數據。另外，考慮到斷電後數據的非易失性，因此選擇NAND Flash作為存儲器件。

數據存儲單元NAND Flash包括圖像庫及字符庫，其中字符庫存儲容量是8Mbyte，圖像庫存儲容量是56Mbyte。模塊選用NAND FlashK9F1216U0A作為圖像的存儲器件，它的容量大小為64M×8bit，其中每頁是(512+16)byte，塊大小是(16k+512)byte;隨機讀取一頁數據的最大時間是12μs，而向NAND Flash寫入一頁數據的典型時間是200μs。以解析度為640×480的RGB 彩色圖像為例，圖像數據大小是900byte，因此將此圖像寫入Flash的最大時間是341μs，然後將此圖像從Flash讀出的最長時間是21μs。

以解析度為640×480的RGB格式彩色圖像為例，56Mbyte的圖像存儲容量可以存儲62幅圖像，完全可以滿足大容量存儲的要求。在存儲圖像數據的編程過程中，由於NAND Flash是以頁為單元進行數據存儲，這就意味著一幅圖像需要佔用多個頁的存儲空間。需要注意的是，由於NAND Flash器件存在壞塊單元，而且壞塊是隨機分布的，因此需要對壞塊進行標記處理，對它們標記為不可用，這樣就避免了由於壞塊單元引起的數據存儲錯誤。

2.1.3 JPEG圖像解碼

JPEG是一種目前廣泛使用的靜態圖像壓縮標準，它以其顯著的壓縮效率和較低的圖像質量損失獲得了廣泛應用，成為國際通用的標準。

JPEG的目的是提供一種使用於各種連續色調圖像的壓縮方法，並且能夠易於硬體實現，具有良好的性價比。為了滿足各種應用需求，它提供了兩種壓縮編碼技術：基於離散餘弦變換(DCT)的有損壓縮編碼和基於DPCM 的無損編碼，這兩種編碼方式可以採用4種操作模式來實現：順序編碼、累進編碼、無損編碼及層次編碼。其中基於DCT變換的順序編碼方式最常用。