FT-LCD驅動電路的設計

　　 薄膜電晶體液晶顯示器（TFT-LCD）具有重量輕、平板化、低功耗、無輻射、顯示品質優良等特點，其應用領域正在逐步擴大，已經從音像製品、筆記本電腦等顯示器發展到臺式計算機、工程工作站（EWS）用監視器。對液晶顯示器的要求也正在向高解析度、高彩色化發展。

　　由於CRT顯示器和液晶屏具有不同的顯示特性，兩者的顯示信號參數也不同，因此在計算機（或MCU）和液晶屏之間設計液晶顯示器的驅動電路是必需的，其主要功能是通過調製輸出到LCD電極上的電位信號、峰值、頻率等參數來建立交流驅動電場。

　　本文實現了將VGA接口信號轉換到模擬液晶屏上顯示的驅動電路，採用ADI公司的高性能DSP晶片ADSP-21160來實現驅動電路的主要功能。

　　硬體電路設計

　　AD9883A是高性能的三通道視頻ADC可以同時實現對RGB三色信號的實時採樣。系統採用32位浮點晶片ADSP-21160來處理數據，能實時完成伽瑪校正、時基校正、圖像優化等處理，且滿足了系統的各項性能需求。ADSP-21160有6個獨立的高速8位並行鏈路口，分別連接ADSP- 21160前端的模數轉換晶片AD9883A和後端的數模轉換晶片ADV7125。ADSP-21160具有超級哈佛結構，支持單指令多操作數（SIMD）模式，採用高效的彙編語言編程能實現對視頻信號的實時處理，不會因為處理數據時間長而出現延遲。

　　系統硬體原理框圖如圖1所示。系統採用不同的鏈路口完成輸入和輸出，可以避免採用總線可能產生的通道衝突。模擬視頻信號由AD9883A完成模數轉換。AD9883A是個三通道的ADC，因此系統可以完成單色的視頻信號處理，也可以完成彩色的視頻信號處理。採樣所得視頻數位訊號經鏈路口輸入到 ADSP-21160，完成處理後由不同的鏈路口輸出到ADV7125，完成數模轉換。ADV7125是三通道的DAC，同樣也可以用於處理彩色信號。輸出視頻信號到灰度電壓產生電路，得到驅動液晶屏所需要的驅動電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標誌腳，可用於接受外部控制信號，給系統及其模塊發送控制信息，以使整個系統穩定有序地工作。例如，ADSP-21160為灰度電壓產生電路和液晶屏提供必要的控制信號。另外，系統還設置了一些 LED燈，用於直觀的指示系統硬體及DSP內部程序各模塊的工作狀態。

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　　　　　　　　　　　　　　圖1 系統硬體原理框圖

　　本設計採用從快閃記憶體引導的方式加載DSP的程序文件，快閃記憶體具有很高的性價比，體積小，功耗低。由於本系統中的快閃記憶體既要存儲DSP程序，又要保存對應於不同的伽瑪值的查找表數據以及部分預設的顯示數據，故選擇ST公司的容量較大的M29W641DL，既能保存程序代碼，又能保存必要的數據信息。

　　圖2為DSP與快閃記憶體的接口電路。因為採用8位快閃記憶體引導方式，所以ADSP-21160地址線應使用A20～A0，數據線為D39～32，讀、寫和片選信號分別接到快閃記憶體相應引腳上。

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　　　　　　　　　　　圖2 DSP和Flash的接口電路

　　系統功能及實現

　　本設計採用ADSP-21160完成伽瑪校正、時基校正、時鐘發生器、圖像優化和控制信號的產生等功能。

　　伽瑪校正原理

　　在LCD中，驅動IC/LSI的DAC圖像數據信號線性變化，而液晶的電光特性是非線性，所以要調節對液晶所加的外加電壓，使其滿足液晶顯示亮度的線性，即伽瑪（γ）校正。γ校正是一個實現圖像能夠儘可能真實地反映原物體或原圖像視覺信息的重要過程。利用查找表來補償液晶電光特性的γ校正方法能使液晶顯示系統具有理想的傳輸函數。未校正時液晶顯示系統的輸入輸出曲線呈S形。伽瑪表的作用就是通過對ADC進來的信號進行反S形的非線性變換，最終使液晶顯示系統的輸入輸出曲線滿足實際要求。

　　LCD的γ校正圖形如圖3所示，左圖是LCD的電光特性曲線圖，右圖是LCD亮度特性曲線和電壓的模數轉換圖。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 LCD的γ校正示意圖

　　伽瑪校正的實現

　　本文採用較科學的γ校正處理技術，對數字三基色視頻信號分別進行數字γ校正（也可以對模擬三基色視頻信號分別進行γ校正）。在完成γ校正的同時，並不損失灰度層次，使全彩色顯示屏圖像更鮮豔，更逼真，更清晰。

　　某單色光γ調整過程如圖4所示，其他二色與此相同。以單色光γ調整為例：ADSP-21160 首先根據外部提供的一組控制信號，進行第一次查表，得到γ調整係數（γ值）。然後根據該γ值和輸入的顯示數據進行第二次查表，得到經校正後的顯示數據。第一次查表的γ值是通過外部的控制信號輸入到控制模塊進行第一次查表得到的。8位顯示數據信號可查表數字0～255種灰度級顯示數據（γ校正後）。

　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 單色光γ調整的過程

　　圖像優化

　　為了提高圖像質量，ADSP-21160內部還設計了圖像效果優化及特技模塊，許多在模擬處理中無法進行的工作可以在數字處理中進行，例如，二維數字濾波、輪廓校正、細節補償頻率微調、準確的彩色矩陣（線性矩陣電路）、黑斑校正、g校正、孔闌校正、增益調整、黑電平控制及雜散光補償、對比度調節等，這些處理都提高了圖像質量。

　　數字特技是對視頻信號本身進行尺寸、位置變化和亮、色信號變化的數位化處理，它能使圖像變成各種形狀，在屏幕上任意放縮、旋轉等，這些是模擬特技無法實現的。還可以設計濾波器來濾除一些幹擾信號和噪聲信號等，使圖像的清晰度更高，更好地再現原始圖像。所有的信號和數據都是存儲在DSP內部，由它內部產生的時鐘模塊和控制模塊實現的。

　　時基校正及系統控制

　　由於ADSP-21160內部各個模塊的功能和處理時間不同，各模塊之間存在一定延時，故需要進行數字時基校正，使存儲器最終輸出的數據能嚴格對齊，而不會出現信息的重疊或不連續。數字時基校正主要用於校正視頻信號中的行、場同步信號的時基誤差。首先，將被校正的信號以它的時基信號為基準寫入存儲器，然後，以TFT-LCD的時基信號為基準讀出，即可得到時基誤差較小的視頻信號。同時它還附加了其他功能，可以對視頻信號的色度、亮度、飽和度進行調節，同時對行、場相位、負載波相位進行調節，並具有時鐘臺標的功能。

　　控制模塊主要負責控制時序驅動邏輯電路以管理和操作各功能模塊，如顯示數據存儲器的管理和操作，負責將顯示數據和指令參數傳輸到位，負責將參數寄存器的內容轉換成相應的顯示功能邏輯。內部的信號發生器產生控制信號及地址，根據水平和垂直顯示及消隱計數器的值產生控制信號。此外，它還可以接收外部控制信號，以實現人機互動，從而使該電路的功能更加強大，更加靈活。

　　此外，ADSP21160的內部還設計了I2C總線控制模塊，模擬I2C總線的工作，為外部的具有I2C接口的器件提供SCLK（串行時鐘信號）和SDA（雙向串行數據信號）。模擬I2C工作狀態如圖5和圖6所示。

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 串行埠讀/寫時序

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　　　　　　　　　　　　圖6串行接口-典型的字節傳送

　　系統軟體實現

　　在軟體設計如圖7所示，採用Matlab軟體計算出校正值，並以查找表的文件形式存儲，供時序的調用。系統上電開始，首先要完成ADSP- 21160的一系列寄存器的設置，以使DSP能正確有效地工作。當ADSP-21160接收到有效的視頻信號以後，根據外部控制信息確定γ值。為適應不同 TFT-LCD屏對視頻信號的顯示，系統可以通過調整γ值，以調節顯示效果到最佳。再如圖4所示，對先前預存的文件進行查表，得到所需的矯正後的值，然後暫存等待下一步處理。系統還可以根據視頻信號特點和用戶需要完成一些圖像的優化和特技，如二維數字濾波、輪廓校正、增益調整、對比度調節等。這些操作可由用戶需求選擇性使用。利用ADSP-21160還可以實現圖像翻轉、停滯等特技。最後進行數字時基校正，主要用於校正視頻信號中的行、場同步信號的時基誤差，使存儲器最終輸出的數據能嚴格對齊，而不會出現信息的重疊或不連續。除了以上所述的主要功能以外，ADSP-21160還根據時序控制信號，為灰度電壓產生電路和TFT-LCD屏提供必要的控制信號。另外，ADSP-21160還能設置驅動通用I/O腳配置的LED燈，顯示系統工作狀態。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 軟體流程圖

　　結束語

　　本文介紹了基於ADSP-21160的液晶驅動電路設計。該驅動電路能完成伽馬校正、圖像優化及時基校正等功能，並能提供具有足夠驅動能力的時序和邏輯控制信號，能驅動大部分的TFT-LCD。用ADSP-21160設計驅動電路實時性好、通用性強、速度快且高效；而且還能在ADSP-21160中嵌入其他功能模塊控制，增強系統的功能。這樣不僅充分利用了ADSP-21160資源，又節省了外部資源，簡化了硬體電路的設計。作者將SONY的 LCX029CPT顯示屏應用在本文所設計的驅動電路上，顯示出質量很高的圖像，因此該設計滿足驅動液晶顯示器的要求。

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