基于ARM嵌入式平臺(tái)的VGA接口設(shè)計(jì)

1、大多數(shù)嵌入式產(chǎn)品的顯示終端都選擇 LCD但在某些需要大屏幕顯示的應(yīng)用中，工業(yè)級(jí)LCD的價(jià)格比較昂貴，且現(xiàn)有的大屏幕顯示器（包括CRT顯示器和LCD顯示器）一般都采用統(tǒng)一的15針VGA顯示接口。三星公司 arm9芯片S3C2410以其強(qiáng)大的功能和高性價(jià)比在目前嵌入式產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。筆者在開發(fā)基于arm嵌入式平臺(tái)的血液流變 測(cè)試儀的過程中，成功地利用高性能視頻D/A轉(zhuǎn)換芯片ADV712Q將S3C2410自帶的LCD掃描式接口轉(zhuǎn)換為 VGA接口，使之能夠驅(qū) 動(dòng)VGA接口的顯示器。1 VGA接口介紹近年來，業(yè)界制定出了眾多數(shù)字化的顯示接口協(xié)議，較為典型的是 DVI（DigitalVisual I

2、n terface）。由于數(shù)字接口的標(biāo)準(zhǔn)還未統(tǒng)一，廠商支持各自的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)字接口的標(biāo)準(zhǔn)遲遲未定。VGA接口是一個(gè)模擬信號(hào)接口。作為在顯示領(lǐng)域多年的接口標(biāo)準(zhǔn)，直到今 天它仍是所有顯示終端最為成熟的標(biāo)準(zhǔn)接口，現(xiàn)在某些高端的電視也支持VGA接 口。15針VGA接口信號(hào)定義如表1所列。除了 2個(gè)NC信號(hào)、3根顯示數(shù)據(jù)總線和5個(gè) GND信號(hào)，比較重要的信號(hào)是 3個(gè)RGB彩色分量信號(hào)和2個(gè)掃描同步信號(hào) HSYNC和VSYNC VGA接 口中彩色分量采用 RS343電平標(biāo)準(zhǔn)。RS343電平標(biāo)準(zhǔn)的峰峰值電壓為 1 V。該標(biāo)準(zhǔn)定義的4個(gè) 電平范圍是： 白電平-+Q.714 V ;黑電平-+Q.Q54 V ;消

3、隱電平-Q V ;同步電平-Q.286 V 。2 S3C241Q LCD控制器簡(jiǎn)介三星公司的arm9芯片S3C241Q功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，在目前的嵌入式產(chǎn)品中得到了廣 泛的應(yīng)用。S3C241Q帶有LCD控制器，可以很方便地控制驅(qū)動(dòng)掃描式接口的LCD顯示。2.1 引腳功能信息LCD控制器提供了掃描式數(shù)據(jù)傳輸引腳和時(shí)序控制引腳，具體描述如下：VFRAME /VSYNC-LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的幀同步信號(hào)。該信號(hào)告訴LCD屏新 一幀開始了。LCD控制器在一幀顯示完成后立即插入一個(gè)VFRAM信號(hào)，開始新一幀的顯示。VLINE/ HSYNC-LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的行同步脈沖信號(hào)。該信號(hào)

4、用于LCD 驅(qū)動(dòng)器將水平線（行）移位寄存器的內(nèi)容傳送給 LCD屏顯示。LCD控制器在整行數(shù)據(jù)移人 LCD驅(qū)動(dòng)器后，插入一個(gè) VLINE信號(hào)VCLK-LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的像素時(shí)鐘信號(hào)。LCD控制在VCLK的上升沿處送出數(shù)據(jù)，LCD驅(qū)動(dòng)器在VCLK的下降沿處采樣。VM/VDEN-LCD驅(qū)動(dòng)器的AC信號(hào)。VM信號(hào)被LCD驅(qū)動(dòng)器用于改變行和列的電壓極性，從而控制像素點(diǎn)的顯示。VM信號(hào)可以與每幀同步，也可以與可變數(shù)據(jù)的VLINE信號(hào)同步。VD23: 0-LCD像素?cái)?shù)據(jù)輸出端口。2.2 寄存器S3C2410 的LCD控制寄存器主要有：LCDCON寄存器、LCDCON寄存器、LCDCON寄存器、

5、LCDCON寄存器、LCDCON寄存器。這些寄存器的設(shè)置與顯示屏信息、控制時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸格式等密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)中需要根據(jù)顯示設(shè)備的具體信息正確設(shè)置這些寄存器才能使S3C241CE常控制驅(qū)動(dòng)不同的顯示屏。2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)S3C2410 的LCD控制器用來傳輸圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，由REGBANK控制寄存器組）、LCDCD-MA專用DMA） VIDPCS視頻信號(hào)處理單元）、LPC360C和TIMEGEN時(shí)序信 號(hào)產(chǎn)生單元）組成，如圖1所示。其中REGBAN包含17個(gè)可編程寄存器和幾個(gè)256X 16的調(diào)色 板存儲(chǔ)器，用來配置LCD控制器并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)；而LCDCDM提供了視頻信號(hào)的快速傳輸

6、 通道，自動(dòng)通過系統(tǒng)總線從系統(tǒng)幀緩存中取出視頻數(shù)據(jù)并傳輸?shù)揭曨l信號(hào)處理單元；VIDPCS將專用DMA中取出的信號(hào)整形并提高驅(qū)動(dòng)能力等處理后，輸出到外部數(shù)據(jù)端口VD23: 0;TIMEGEN和 LPC36O0負(fù)責(zé)產(chǎn)生LCD所需要的控制時(shí)序。表】15 tt VGA接口信號(hào)定丈倍號(hào)邏文伯號(hào)描述RED紅色分鬣的屯學(xué)僖號(hào)GREEN蟬色分童的電甲信號(hào)BLUE:葢邑分羸的電罟佶號(hào)HSYNCr行同步信號(hào)VSYNC恢同破信號(hào)GND上字地SYNC GNbREDG 吋D紅邑信號(hào)地GREEN GND綠色信號(hào)地BLUE GWDr就邑信號(hào)體MONITOR U<2 ； 0顯示融數(shù)據(jù)總線，用尸傳3 VGA接口設(shè)計(jì)利用高

7、性能視頻 D/A轉(zhuǎn)換芯片ADV7120各S3C24I0自帶的LCD掃描式接口轉(zhuǎn)換為 VGA 接口，然后用帶有 VGA接口的顯示器顯示。3.1 ADV7120 簡(jiǎn)介ADV7120 是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其像素掃描時(shí)鐘頻率有30MHz 50 MHz 80 MHz三個(gè)等級(jí)。ADV712在單芯片上集成了 3個(gè)獨(dú)立的8位高速D/A轉(zhuǎn)換器， 可以分別處理紅、綠、藍(lán)視頻數(shù)據(jù)，特別適用于高分辨率模擬接口的顯示終端和要求高速D/ A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用系統(tǒng)。ADV7120 的輸入及控制信號(hào)非常簡(jiǎn)單：3組8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，分別對(duì)應(yīng)RGB視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入端采用標(biāo)準(zhǔn) TTL電平接口； 4條視頻控

8、制信號(hào)線包括復(fù)合同步信號(hào)SYNC消隱信號(hào)BLANK白電平參考信號(hào) REF WHITER像素時(shí)鐘信號(hào) CLOCK外接一個(gè)1.23 V數(shù)模 轉(zhuǎn)換參考電壓源和1個(gè)輸出滿度調(diào)節(jié)。只有4條輸出信號(hào)線：模擬RGB言號(hào)采用高阻電流源輸 出方式，可以直接驅(qū)動(dòng) 75 Q同軸傳輸線；同步參考電流輸出信號(hào)Isync用來在綠視頻模擬信號(hào)中編碼視頻同步信息。3.2 原理圖設(shè)計(jì)VGA接口的同步信號(hào)和 LCD掃描式接口的同步信號(hào)是一致的。利用ADV712可以方便 地將S3C24l0的LCD掃描式接口轉(zhuǎn)換成 VGA接口，電路原理如圖2所示。S3C2410處理器接口中的同步掃描信號(hào)HSYNC和VSYNC直接接到 VGA接口，V

9、DEN言號(hào)（顯示數(shù)據(jù)有效信號(hào)）則被用于控制 ADV712芯片。由于ADV7120寸參考電平的要求精度很 高，不能以電阻分壓電路代替。在此采用了1.2 V電壓基準(zhǔn)芯片 AD589來產(chǎn)生參考電壓。該電路設(shè)計(jì)中需要注意的是，在PCB布板時(shí)要將模擬地和數(shù)字地分開。4 S3C2410相關(guān)寄存器設(shè)置以分辨率為640X 480、刷新頻率為 60 Hz、16位彩色顯示模式為例，根據(jù)圖3所示VGA接口同步信號(hào)時(shí)序，介紹 S3C2410中 LCDCON1 LCDCON寄存器的設(shè)置。4.1 LCDCONI 寄存器LINECNT :行計(jì)數(shù)器的狀態(tài)位。只讀，不用設(shè)置。CLKVAL :確定VCLK頻率的參數(shù)。公式為 VC

10、LK=HCLK(CLKVAL+1)X 2，單位為 Hz。 筆者所用的硬件系統(tǒng) HCLK=100 MHz 640X480的顯示屏需要 VCLK=20 MHz故需設(shè)置 CLKVAL=1MMODE :確定VM的改變速度。在此選擇 MMODE=O為每幀變化模式。PNRMODE :確定掃描方式。選擇 PNRMODE=0x3為TFT LCD面板掃描模式。BPPMODE :確定BPP(每像素位數(shù))模式。在此選擇 BPPMODE=0xC為TFT 16位模式。ENVID:數(shù)據(jù)輸出和邏輯信號(hào)使能控制位。選擇ENVID=1,為允許數(shù)據(jù)輸出和邏輯控制。4.2 LCDCON2 寄存器VBPD :確定幀同步信號(hào)和幀數(shù)據(jù)傳

11、輸前的一段延遲時(shí)間，是幀數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，如圖3, VBPD=t3/16=1.02 mS /31.77卩s=32。LINEVAL:確定顯示的垂直方向尺寸。公式：LINEVAL=YSIZE-1=479。VFPD:確定幀數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一幀同步信號(hào)到來的一段延遲時(shí)間，是幀數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值，如圖3, VFPD=t5/16=0.35 ms /31.77 卩 s=11。VSPW :確定幀同步時(shí)鐘脈沖寬度，是幀同步信號(hào)時(shí)鐘寬度和行同步時(shí)鐘間隔寬度的比值。如圖 3, VSPW=t2t6=0.06 ms /31.77 卩 s=2。4.3 LCDC0N3

12、 寄存器HBPD :確定行同步信號(hào)和行數(shù)據(jù)傳輸前的一段延遲時(shí)間，描述行數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間內(nèi) VCLK脈沖個(gè)數(shù)，如圖 3，VBPD=t7< VCLK=1.89 卩 sX 25MHz=47HOZAL:確定顯示的水平方向尺寸。公式HOZAL=XSIZE-仁639HFPD :確定行數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一行同步信號(hào)到來的一段延遲時(shí)間，描述行數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間內(nèi) VCLK脈沖個(gè)數(shù)，如圖3, HFPD=tX VCLK=0.94卩sX 25 MHz=244.4 LCDCON4 寄存器HSPW :確定行同步時(shí)鐘脈沖寬度。描述行同步脈沖寬度時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，如圖3,HSPW=3.77i sX 25 MH

13、z=944.5 LCDCON5 寄存器VSTATUS :垂直方向狀態(tài)。只讀，不用設(shè)置。HSTATUS :水平方向狀態(tài)。只讀，不用設(shè)置。BPP24BL :確定顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。此處設(shè)置 BPP24BL=0xQ為小端模式存放。FRM565 :確定16位數(shù)據(jù)輸出格式。此處設(shè)置FRM565=0x1,為5: 6: 5格式輸出。INVVCLK :確定VCLK脈沖有效邊沿極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處選擇INVVCLK=0xl, VCLK上升沿到來時(shí)數(shù)據(jù)傳輸開始。INVVLlNE :確定HSYNC脈沖的極性。由圖3可知，為負(fù)極性，設(shè)置 INVVLINE=0x1選擇 負(fù)極性脈沖。INVVFRAME :確定VSY

14、N（脈沖的極性。由圖3可以看出，為負(fù)極性，故設(shè)置 INVVFRAME=O）選擇負(fù)極性脈沖。INVVD :確定數(shù)據(jù)輸出的脈沖極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置INVVD=0x0選擇正極性脈沖。INVVDEN=Ox為正極INVVDEN :確定VDEN信號(hào)極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置 性脈沖。INVPWREN :確定PWRE信號(hào)極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置NVPWREN=O為正極性脈沖。INVLEND :確定LEND言號(hào)極性。根據(jù)屏幕信息確定，此處設(shè)置INVLEND=Ox為正極性脈沖。PWREN : PWRE信號(hào)輸出允許。設(shè)置 PWREN=Oxl允許PWRE輸出。ENLEND : LEND俞出

15、信號(hào)允許。設(shè)置 ENLEND=0x1允許LEND俞出。BSWP :字節(jié)交換控制位。根據(jù)各自需要設(shè)置，此處設(shè)置BSWP=Ox0禁止字節(jié) 交換。HWSWP :半字交換控制位。根據(jù)各自需要設(shè)置，此處設(shè)置HWSWP=Oxl使能半字節(jié)交換。5討論與總結(jié)S3C2410 處理器能夠驅(qū)動(dòng)24位顏色模式的VGA接口，但當(dāng)處理器數(shù)據(jù)總線負(fù)載過大 時(shí)，顯示效果就不太理想。具體分析所需數(shù)據(jù)帶寬如下：S3C2410 處理器工作在640X 480X 60 Hz X 24位 (分辨率為640X 480、刷新頻率為 60 Hz、24位色彩)模式下的數(shù)據(jù)帶寬為：640X 480X 60X 4/(1 024 X 1 024)=7

16、0.3MB/s(24 位顏色實(shí)際占用32位數(shù)據(jù)量)，這些數(shù)據(jù)都需要利用 DMA方式通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線從SDRAM中獲得。而S3C241C處理器在100 MHz的總線頻率下，32位內(nèi)存的峰值帶寬是100X 32/ 8=400MB /s，實(shí)際帶寬也就100200 MB/ s。那么70.3 MB / s的顯示數(shù)據(jù)對(duì)于 S3C241C處理器過于 沉重了，顯示器的屏幕經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)短暫的黑屏。這是因?yàn)橄到y(tǒng)總線太忙，LCD掃描式接口的數(shù)據(jù)跟不上，掃描時(shí)鐘的頻率暫時(shí)變慢導(dǎo)致CRT顯示器的同步信號(hào)不符合規(guī)范所致。若用16位顏色模式，則數(shù)據(jù)帶寬減為640X 480X 60X 2/(1024X 1 024)=35.2MB/ s。實(shí)際測(cè)試中，工作在16位顏色模式