对主板卡EC3-1542CLDN的LCD显示系统设计

EC3-1542CLDN是一款146 mm×102 mm尺寸的嵌入式单板电脑，其CPU采用美国国家半导体公司最新超低功耗BGA封装CPU芯片，在0～60℃工作范围内无需风扇，彻底解决了由于风扇可靠性低引起的系统故障。EC3-1542CLDN主要应用于工控机领域。工控机(IPC，也称产业电脑、工业计算机、产业计算机)是一种具有特殊性能的高可靠性计算机，能够充分满足现代商业和企业对计算机运行持续可用性的严格要求。作为一种具备特殊性能的计算机，工控机(IPC)能够在苛刻的外界环境下连续长时间稳定地运行，他应传统工业中过程控制与制造自动化对计算机高适应性和高可靠性的特殊需求而产生。最初，IPC主要应用于专业的工业控制现场领域。由于IPC具有抗恶劣环境、结构扩充性能好、电压适用范围宽、各种I／O设备配套齐全以及他对普通PC软件的完全兼容性等诸多优点，使得他的应用广泛性要远远高于普通PC。

　　根据此板的CPU结构和应用特点，选用CS5530AI／O接口芯片和CS9211显示芯片做了相应的LCD显示系统设计，可以广泛应用在基于单板计算机控制的嵌入式系统中。

1 CPU介绍

　　系统所用的CPU是美国国家半导体GXl微处理器，是低功耗的全x86结构。主要用于信息家电、机顶盒、个人网络设备等领域。根据NS Geode GXl处理器内核工作电压，可以分为3大类：2.0 V，1.8 V和1.6 V。他最典型的特点就是低功耗，这一特点利于小型、无风扇的设计。I／O接口电源为3.3 V。采用静电防护设计。最高运行速率可以达300 Hz。统一的内存结构特点：帧缓冲器和视频存储驻留在主内存区。他可以与多种NS提供的GeodeI／O设备相兼容。支持大多数操作系统：Microsoft’s Windows 2000，Windows 95，Windows 98，和Windows NT；Windows CE；VxWorks；QNX；Linux等。

2 CS5530A输入／输出系统芯片组

2.1 处理器支持

　　在CS5530A输入输出芯片组里包含的传统的南桥功能，已经被设计来支持NS GXl处理器。他在标准的ISA总线和系统ROM之间提供一种桥梁的作用。

2.2 显示子系统扩展

　　他包括几个模块

　　视频加速器：来自处理器的YUV视频数据格式和缓冲；8位与处理器的接口；YUV到RGB的颜色转换；伽玛RAM用于亮度和对比度的调整。

2.3 时钟产生

　　在以CS5530A／GX系列为基础的系统中，CS5530A只产生2个时钟：CPU的DOT时钟(DCLK)和ISA时钟。所有的其他的时钟都由外部时钟芯片产生。ISACLK通过分离PCICLK产生，他在正常情况下，运行8.33 MHz或更少。DCLK由14.318 18 MHz(CLK_14 MHz)的输入时钟产生。

　　用32位的x86处理，以GXl处理器和CS5530输入输出芯片为基础的设计，具有很高的性能。这两个芯片集成的视频、音频和内存接口功能，外部硬件可以正常地实现这些功能。CS5530芯片支持GXl处理器的所有的MMX(多媒体增强指令集)功能。这些功能包括：VGA和VESA视频，16位立体声，IDE接口，ISA接口，SMM(系统管理模式)电源管理，以及IBM的AT兼容逻辑等。

3 CS9211显示芯片

　　同CS5530A一样，CS9211也是属于GEODE产品系列，与美国国家半导体的GX系列(GXI，GXLV，GXm)相匹配。从CS5530A输出的数字像素流，通过CS9211转化成数字RGB输入到标准SFN／DSTN LCD显示屏中。支持单色和彩色的DSTN型LCD，最高分辨率达到1 024×768，而对于彩色STN型LCD，则分辨率达到640×480。并且要注意的是，只有在用DSTN型LCD时，外部帧缓冲器是需要的。

　　CS9211直接与显示屏相连接，可支持以6：6：6格式的18位颜色像素输入数据流；支持达到65 MHz的像素时钟(DOTCLK)。对于DSTN显示屏，其刷新频率可达到120 Hz。对于输入／输出的同步脉冲宽度、延时和极性都是可编程的，以适应许多不同类型的显示屏。显示屏的电源序列是可以编程来控制的。内嵌内存控制器支持SDRAM或者EDO存储，以满足DSTN的帧缓冲。所用的电源是3.3 V低电源。

4 LCD显示器

　　LCD是一种被动显示技术，他本身不发光，利用反射光显示字符和图形。LCD的功耗非常低，于是在低功耗的场合特别是电池供电的嵌入式设备上得到了广泛的应用。LCD通常使用自然光，反射自然光进行显示，如果周围的光很少或没有光，需要在LCD的后面放置一个光源，这个光源叫背光。通常，LCD只是一个显示器，使用时需要配合驱动器和控制器。

　　LCD显示器包括字符LCD显示器、图形LCD显示器和定制LCD显示器。对于图形LCD显示器又包括黑白、灰度、彩色3种。LCD按显示原理分为STN和TFT两种。单色及灰度显示屏都是STN(超扭曲向列)LCD；TFT(薄膜晶体管)为彩色显示屏。

5 硬件显示系统设计

　　根据上述3芯片的特点，做了系统的硬件设计，其基本设计原理是：GXl处理器的显示控制器接口与CS5530A输人输出接口芯片相连。CS5530A芯片输出的数字像素数据流，经过CS9211芯片后，转换成STN液晶显示屏显示的RGB输入数据。要注意的是，若所用的是DSTN LCD，则还需要DRAM／SDRAM作为外部帧缓冲存储器。时间和电源时序控制信号从CS5530A被传送到CS9211中。CS9211芯片与LCD屏之间只有电源控制信号、定时信号和数据信号3组。电源控制信号驱动显示屏的背光照明、主电源和对比度电压。定时信号包括水平、垂直同步信号，帧同步、行同步信号等，对不同的显示屏其定义不同。从CS9211中输出24位的LCD显示数据，被分成两个12位数据线，数据格式依据所连的LCD屏，由偏移量404h[21：16]决定屏的类型和显示模式。其总体结构图如图1所示。

本设计的具体引脚图如图2与图3所示。这里对主要引脚做说明：

SYSCLK：系统时钟；PSERIAL：电源管理串行接口；DCLK：产生图形显示系统的时钟，由CPU产生(10～200 MHz)；PIXEL：像素数据接口；FP_HSYNC：LCD水平同步输入；FP_VSYNC：LCD垂直同步信号输入；ENA_DISP：显示使能；VID_VAL：表示视频数据已出现在VID_DATA输入口；VID_CLK：视频显示时钟；VID_DATA[7：0]：YUV4：2：2格式或RGB5：6：5格式；VID_RDY：表示CS5530A已准备好接收VID_DATA口的数据了；INTR：CPU中断请求。FP_ENA_BKL：LCD的背光源输出；FP_ENA_VDD：LCD的电源；FP_DISP_OUT：LCD输出使能；FP_CLK：LCD时钟；FP_DATA[5：0]，FP_DATA[11：6]，FP_DATA[17：12]：LCD数据口，可以接到DSTN格式芯片，LVDS转换器或数字NTSC／PAL解码器。

DISPOFF#：关闭背光源，注意这一信号是低电平有效；FP_VDDEN：控制LCD的电源；FP_VCONEN：控制LCD的偏置电压；LP／HSYNC：数据行显示开始；FLM／VSYNC：数据帧显示开始；SHFCLK：LCD时钟；LDE／MOD：TFT显示使能；UD[11：0]，LD[11；0]：数据扫描，这里的扫描可以根据要求分别对高位或低位的数据进行扫描。

6 软件设计流程及驱动程序

　　使用液晶屏显示基本的是像素控制数据的使用。像素控制数据的存放与传送形式决定了显示的效果。这是显示控制的基本程序设计思想。由于此设计的软件编程比较复杂，限于篇幅，在此只列出了实现LCD驱动的程序流程图，如图4所示。

7 系统设计结论

　　本显示系统，全采用的是美国国家半导体公司的芯片，系统的兼容性好，设计出的系统更加可靠，同时整体性移植更容易。具有广泛的应用性和实用价值。