S3C2440A驱动RGB TFT液晶屏的研究

1 引言
    随着科技的进步，TFT LCD作为显示器件在各种嵌入式系统中得到越来越广泛的应用。带触摸屏的TFT LCD模组在系统应用中不仅能为人机界面提供高质量的画面显示，而且能提供更直观、方便的交互性输入。TMT035DNAFWU1是深圳天马微电子股份有限公司生产的8.89 cm(3.5 in)TFT LCD模组，该模组内置了LCD驱动器，集成了四线电阻式触摸屏和背光电路。S3C2440A 是三星公司设计的一款基于ARM920T内核的32位嵌入式RISC(reduced instructions set computer)微处理器，它的最高工作频率可达533 MHz，内部集成了通用的LCD控制器、8通道10位ADC和触摸屏接口，且具备高性能、低功耗的优点，适用于智能手机、便携式媒体播放器、手持导航仪等领域。本文基于S3C2440A嵌入式系统，以TMT035DNAFWU1为显示设备，设计了TFT LCD驱动电路，并完成Linux下驱动显示效果的调试。

2 TFT LCD接口时序
    TMT035DNAFWU1的显示分辨率为320×240，采用24位数字RGB接口，可以显示16.7 M颜色。
    RGB接口是为TFT LCD模组提供高品质显示而设计的接口，该接口可以高速、低功耗地完成动画显示，其中包含4个重要的控制信号VSYNC、HSYNC、DCLK 和VDEN，分别用于帧、行、像素的数据传输。
    图1为TMT035DNAFWU1模组RGB接口时序示意图。

                                    图1 RGB接口时序图

3 S3C2440A LCD控制器介绍
    S3C2440A 内置的LCD控制器能将显示在LCD上的数据从系统内部的数据缓冲区通过逻辑单元传送到外部的LCD驱动器中。它可以支持不同分辨率的显示，如：640×480、320×240等，最大可支持24位数据的16.7 M 彩色TFT模块，其控制器框图如图2所示。

图2 S3C2440A LCD控制器框图
3.1 控制总框图
    LCD控制器主要由REGBANK、LCDCDMA两大部分组成，用于产生必要的控制信号和传输数据信号，如图2所示。REGBANK有17个可编程寄存器组和256×16的调色板存储器，用来设定LCD控制器。LCDCDMA 是一个专用的DMA(Direct Memory Access)，自动从帧存储器传输视频数据到LCD控制器，视频数据可以不经CPU处理直接显示在屏上。TIMEGEN 由可编程逻辑器件组成，产生VFRAME/VSYNC、VLINE/HSYNC、VCLK/DCLK、VM/VDEN信号等，以支持不同的LCD驱动器的接口时序和速率。LPC3600与LCC3600是专用LCD控制器，在此不做详细介绍。

3.2 TFT控制器介绍
    通过对REGBANK 寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5进行配置，TIMEGEN产生可编程控制信号来支持不同类型的LCD驱动器。
    VSYNC和HSYNC脉冲与LCDCON2/3的HOZVAL和LINEVAL设置相关，HOZVAL和LINEVAL的值由LCD屏的分辨率决定，如下公式：
    HOZVAL=(Horizontal display size)-1    (1)
    LINEVAL=(Vertical display size)-1   (2)
    VCLK的频率取决于LCDCON1中CLKVAL的设置，在LCDCON1中配置，VCLK和CLKVAL的关系如下(CLKVAL的最小值是0)：
    VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]    (3)
    HCLK为S3C2440A 中PLL时钟发生器产生的时钟信号。
    VSYNC的频率即为帧频，它与LCDCON1/2/3/4均有关，计算公式如下：
Frame Rate=1/{[(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LINEVAL+1)+(VFPD+1)1×[(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1)]×[2×(CLKVAL+1)/(HCLK)]} (4)
    公式(1)～(4)各参数数值的设置方法在§5.2中给出。

4 驱动电路设计
    除数据传输信号接口外，TFT LCD模组的驱动电路还包括提供给模组的电源电路、VGL、VGH、VCOM 电压电路等。根据TFT LCD模组的接口和S3C2440A 内嵌的控制器输出管脚，完成LCD显示的控制线路设计。电路接口设计如图3所示。

图3 TFT LCD显示接口电路设计
    VCOM 电压信号由TFT LCD模组上SOURCEDRIVER IC输出的POL信号提供。POL信号经过VCOM BUFFER电路，产生VCOM电压信号提供给TFT LCD模组。TFT LCD模组采用行翻转方式驱动，设计的VCOM BUFFER 电路能够完成VCOM电压的交流电压成分和直流电压成分的调节。通过调节VCOM BUFFER电路，使VCOM 中心点电压及其幅值达到应用的要求，有效地消除TFT LCD显示闪烁问题并改善显示质量。

5 Linux下驱动程序软件设计
5.1 帧缓冲设备
    帧缓冲为Linux 2.2.XX以上版本内核中的一种驱动程序接口。该接口采用mmap系统调用，将显示设备抽象为帧缓冲区，允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写和I/O控制操作。帧缓冲设备属于字符设备，采用“文件层-驱动层”的接口方式。

5.2 LCD驱动设计
    TFT LCD驱动程序设计的主要工作包括：初始化S3C2440A 的LCD控制器LCDCON1～5，通过写寄存器设置显示模式和颜色数，然后分配LCD显示缓冲区。根据TMT035DNAFWU1接口时序及显示要求，屏幕显示分辨率Horizontal display size=320，Vertical display size=240，VCLK=6.4 MHz，而HCLK=133 MHz，故CLKVAL=9。缓冲区大小为：点阵行数×点阵列数×用于表示一个像素的比特数/8。缓冲区通常分配在大容量的片外SDRAM 中，起始地址保存在LCD控制寄存器中，需要分配的显示缓冲区为150 kB。最后是初始化一个fb_info结构，填充其中的成员变量，并调用fbmem.C里的register_framebuffer(struct fb_info *fb info)将fb_info登记入内核。

5.3 RGB接口显示参数调整
    S3C2440A 的LCD 控制寄存器主要有：LCDCON1～5。LCDCON1可以对LCD的类型、数据位数、是否需要VDEN输出及DCLK进行设置;LCDCON2主要对VBPD、VFPD、VSPW进行设置;LCDCON3及LCDCON4对HBPD、HFPD、HSPW 进行设置;LCDCON5可以对DCLK、HSYNC、VSYNC 的极性做设置。图4为RGB接口显示工作原理示意图，各个参数在实际显示中的作用效果见图4所示。

图4 RGB接口显示工作原理
    图4中，最终显示区域(DISPLAY AREA)是由像素时钟信号(DCLK)、行同步信号(HSYNC)、帧同步信号(VSYNc)、数据使能信号(VDEN/ENABLE)共同作用的结果，其大小及位置由各参数实际配置来确定，其中HSPW、HBPD及HFPD确定显示区域的行有效数据信息，VSPW、VBPD和VFPD确定显示区域中帧有效数据信息。
   基于Linux下驱动显示程序，以下为调试成功的部分源代码：
/******s3c2440fb.c******/
#define H_SW 35;
#define H_FP 15;
#define H_BP 30;
#define V_SW 5;
#define V_FP 5;
#define V_BP 10;
……
static struct s3c2440fb_mach_info xxx_stn_info __initdata={
pixclock:PIXEL_CLOC, hpp: PIXEL_BPP,
xres:H_RESOLUTION, yres: V_RESOLUTION,
hsync_len: H_SW, vsync_len : V_SW,
left_margin: H_BP, upper_margin:V_BP,
right_margin:H_FP, lower_margin:V_FP,
sync:0, cmap_static:1,
reg:{
lcdcon1: LCD1_BPP_16T | LCD1_PNR_TFT | LCD1_CLKVAL(12),
lcdcon2: LCD2_VBPD(V_BP) | LCD2_VFPD(V_FP) | LCD2_VSPW(V_SW),
lcdcon3: LCD3_HBPD(H_BP) | LCD3_HFPD(H_FP),
lcdcon4: LCD4_HSPW(H_SW),
lcdcon5: LCD5_FRM565 | LCD5_INVVLINE | LCD5_INVVFRAME | LCD5_HWSWP | LCD5_PWREN,
},
};
    在实际的驱动程序编写过程中，不同的TFTLCD模组的参数会有所不同，因此需要根据实际数据的有效位置进行相关的参数调整。图5为RGB接口参数配置调整前后的系统显示对比效果图。如果软件初始化设置中，未能正确地分配HSPW、HBPD和HFPD，行有效数据的位置会发生相应的错位，表现在实际显示中为显示图像的整体左右偏移，如图5(a)所示，液晶显示器显示画面向左偏移。同理，未能正确地配置VSPW、VBPD和VFPD，帧数据中有效数据的位置会发生相应的错位，表现在实际显示中为显示图像的上下偏移。

5.4 触摸屏驱动设计
    设置触摸屏接口为等待中断模式(INT_TC中断)，如果中断发生，立即激活相应的AD转换。转换模式一般选择分离的X/Y轴坐标转换模式或者自动(连续的)X/Y轴坐标转换模式来获取触摸点的X/Y坐标。在得到触摸点的X/Y轴坐标值后，返回到等待中断模式。触摸屏的驱动流程如图6。

图6 触摸屏控制流程图
    触摸屏设备在Linux系统中也被定义为一个字符设备，需要对触摸屏设备驱动程序中的全局变量struct TS_DEV进行设置，该变量用来保存触摸屏的相关参数：等待处理的消息队列、当前采样数据、上一次采样数据等信息，变量定义如下：
typedef struct{
unsigned int penStatus;
/* PEN_UP，PEN_DOWN，PEN_SAMPLE */
TS_RET buf[MAX_TS_BUF];
/*环形缓冲区*/
unsigned int head,tail;
/* 环形缓冲区的头、尾 */
wait_queue_head_t wq;
spinlock_t lock;
}TS_DEV ;
    根据触摸屏对应TFT LCD的分辨率大小，对环形缓冲区的大小进行初始化配置。

6 结论
    分析了RGB接口的TFT LCD模组接口工作时序，以ARM920T内核的S3C2440A处理器为核心，加外围电路构建了相应的驱动电路，完成Linux显示驱动程序开发，实现了系统清晰稳定的显示。带触摸屏的TFT LCD模组驱动电路设计及显示效果调节方法为各种手持数码电子产品、导航仪等嵌入式系统设计提供了一套完整的解决方案。