基于ARM的触摸屏TFT液晶显示电路设计

程静涛

(山西轻工职业技术学院，山西 太原 030001)

液晶屏(Liquid Crystal Display，LCD)按显示原理分为STN和TFT两种，由于TFT(薄膜晶体管，Thin Film Transistor)彩色液晶屏颜色逼真透亮广泛用于制作成计算机、手机中的液晶显示。带有触摸屏的TFT在嵌入式系统设计中越来越成为设计的主流。

文章采用三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A，完成与WXCAT43－TG3#001的接口和程序设计。

1 S3C2440 LCD控制器

图1为S3C2440处理器的LCD控制器［1］主要部分框图。

图1 S3C2440处理器的LCD控制器主要部分框图

如图1所示，LCDCDMA负责自动将帧缓冲区中的显示数据发往LCD驱动器。通过DMA传输显示数据可以不需要CPU的干涉自动地发送到屏幕上。REGBANK的主要功能是将其中的17个可编程的寄存器组和256×16调色板内存用于配置LCD控制器。VIDPRCS将LCDCDMA发送过来的数据变换为合适的格式(单扫描或双扫描显示模式)之后通过VD［23:0］发送到LCD驱动器。TMIEGEN的可编程逻辑用于支持不同类型的LCD驱动器对时序以及速率的需求。S3C2440 LCD控制器输出接口说明如表1所示。

2 时钟源的选择

不管是利用开发板设计还是自行设计，都必须首先知道开发板或设计板的时钟频率的设置:在S3C2440的Normal模式下操作中，用户可以通过写P，M，S改变3个分频器(FCLK，HCLK，PCLK)的频率值。Mpll=(2×m ×Fin)/(p×2s)，m=M(分频器M的值)+8，p=P(分频器P的值)+2。

当 M=184，P=10，S=0 时 Mpll=384 MHz。当 Mpll=FCLK时，FCLK用于ARM920T主频。HCLK用于AHB总线，例如用于ARM920T内存控制，中断控制，LCD控制，DMA以及USB主模块。PCLK用于APB总线，用于外围设备如看门狗、IIS、I2C、PWM、MMC 接口、ADC、UART、GPIO、RTC以及SPI等。

表1 S3C2440 LCD控制器输出接口说明

S3C2440支持FCLK，HCLK，PCLK分频比的选择。比例由CLKDIVN控制寄存器中的HDIVN，PDIVN位确定。在设置P，M，S这3个值后，需要设置CLKDIVN寄存器的值。CLKDIVN的值设置在PLL锁定期后有效。这个值也对复位和改变电源管理模式也是可用的。

该设计HDIVN设置为3，PDIVN设置为1，HCLK3_HALF设置为0，HCLK4_HALF设置为0则分频比FCLK∶HCLK∶PCLK 为(1∶3∶6)，则 FCLK=384 MHz，HCLK=128 MHz，PCLK=64 MHz。

3 WXCAT43－TG3#001液晶显示模块介绍

WXCAT43－TG3#001［2］是一种 transmissive 型 a－SiTFTLCD(非晶硅薄膜晶体管液晶显示模块)，主要由1个TFTLCD面板，1个驱动电路，背光灯部件和1个4－wires模拟电阻式触摸屏组成。面板尺寸是4.3 in，分辨力是480×272(显示16∶9)。24位RGB界面，高对比度、高亮度、低功耗、4－wires模拟电阻式触摸屏。可以显示16.7 M种颜色和特别适合便携式设备显示器应用。可用于GPS(全球定位系统)、DVB(数字视频广播)、DSC(数码相机)、PMP(便携式多媒体播放器)及其他设备需要高质量的显示器。

1)WXCAT43－TG3#001 电特性［2］

TFT－LCD模块:电源3.3 V，模拟电压5 V，时钟频率9 MHz;

背景灯单元:正向电压25.6 V，电流20 mA，功耗512 mW。

2)TFT－LCD模块框图

TFT－LCD模块如图2所示，触摸屏面板如图3所示。

3)接口规范如表2所示。

表2 WXCAT43－TG3#001外围管脚说明

4)定时要求如表3所示。

表3 WXCAT43－TG3#001定时参数

5)存储数据格式(TFT)

在S3C2440A里TFT液晶控制器的支持1 bpp(位/像素)，2 bpp，4 bpp，8 bpp 的 palettized 彩色显示器和16 bpp或24 bpp的non－palettized真彩显示(true－color)。表4为存储数据格式(TFT)显示模式24 bpp显示。

表4 显示储数据格式(TFT)24 bpp显示模式

6)使用256调色板(TFT)

S3C2440A的TFT液晶控制，提供256个颜色的调色板。用户可以从下面2种格式中在64 k的颜色中选择256种颜色。256颜色调色板包括256(深度)×16位SPSRAM。支持5∶6∶5 调色板(R，G，B)的格式和 5∶5∶5∶1(R，G，B∶i)的格式。当用户使用 5∶5∶5∶1 格式，强度数据(i)作为每个RGB数据的一种常见LSB位。所以，5∶5∶5∶i格式等同于 R(5+i)∶G(5+i)∶B(5+i)的格式。

例如，在5∶5∶5∶i格式中，用户可以写入调色板，然后连接VD引脚到TFT液晶面板，R(5+i)=VD［23:19］+VD［18］，VD［10］或 VD［2］，G(5+i)=VD［15:11］+VD［18］，VD［10］或 VD［2］，B(5+i)=VD［7:3］+VD［18］，VD［10］或VD［2］。并且设置LCDCON5寄存器的FRM565为0。

0x4D000400是调色板的开始地址。VD10，VD2，VD18有相同的输出值i。［31:16］数据是无效的。当用户对调色板执行读/写操作时，必须检查LCDCON5寄存器的HSTATUS和VSTATUS，因为VSTATUS和HSTATUS工作状态期间，读/写操作是禁止的。

4 WXCAT43－TG3#001的总体设计

特别注意:在S3C2440中，大多数的管脚都复用，所以必须对每个管脚进行配置。端口控制寄存器(GPnCON)定义了每个管脚的功能。

下文将着重介绍TFT LCD的设计步骤。

WXCAT43－TG3#001 TFT连接如图4所示。

图4 WXCAT43－TG3#001 TFT连接图

1)LCD背光灯控制

WXCAT43－TG3#001背光灯需要25.6 V的直流电源，该设计采用DC－DC直流升压芯片见图4。利用S3C2440的GPF4脚可以控制背景灯的开启和关闭，当GPF4脚为高电平时，Q2、Q1导通，25 V电压加到WXCAT43－TG3#001的2脚，使其点亮LED，如果GPF4脚输出PWM波，则可以改变其背光亮度。特别在设备休眠状态，及时关闭LED，可以达到节能目的。所以需将对应的GPIO设置为禁止上拉(GPFUP相应位4写入1)，选择output类型(GPFCON相应位［9:8］写入01)，输出为高电平开启背景灯，低电平关闭背景灯(GPFDAT相应位4写入1或0以控制背景灯的开启和关闭)。

2)LCD电源控制

可以将GPG4选择为LCD_PWREN(GPGCON［9:8］写入10)，这时候LCD电源的打开/关闭可以通过LCDCON5［3］来控制。也可以自定义其他GPIO用作LCD电源开关，只需将此GPIO设置为禁止上拉(GPxUP相应位写入1)，选择output类型(GPxCON相应位写入01)，输出为高电平(GPxDAT相应位写入1)打开LCD电源。该设计采用第一种控制方式。

3)信号线设置［4］

信号线包括 VD0～VD23。将LCD的R0～R7，G0～G7，B0～B7等24根管脚和S3C2440的VD0～VD23脚相连，设置GPCCON［0～31］写入10(其中GPC8～GPC15对应VD0～VD7)，GPDCON［0～31］写入10(其中 GPD0～GPD15对应VD8～VD23)构成LCD模式。

4)VFRAME(VSYNC)，VLINE(HSYNC)，VCLK 及VM(VDEN)的设置

如上所述分别在GPCCON中设置(10)使GPC4(VM)，GPC3(VFRAME)，GPC2(VLINE)，GPC1(VCLK)处于相应功能。

5)设置LCD的频率(VCLK)

CLKVAL寄存器的值确定VCLK的频率和帧速率。对于TFT LCD，S3C2440提供的VCLK的计算公式为

VCLK=HCLK/((CLKVAL+1)×2) (1)

帧速率=1/{［(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LIINEVAL+1)+(VFPD+1)］× ［(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1)］×［2×(CLKVAL+1)/(HCLK)］} (2)

LCD的数据手册上一般会写有一个推荐的频率，该设计使用的屏幕推荐频率为9 MHz，需要通过一些计算选择一个合适的CLKVAL以产生这个频率。可以得出

CLKVAL=HCLK/(VCLK×2)–1 (3)

由前述 FCLK∶HCLK∶PCLK=1∶3∶6，HCLK 是 128 MHz(CPU运行在384 MHz)，VCLK使用屏幕推荐的9 MHz，得到:CLKVAL=128 MHz/(9 MHz×2)－1=6.1111。选择最接近的整数值6，写入LCDCON1［17:8］。

6)各寄存器数据设置

通过语句:#define项目名(值)进行定义。

7)设置视频缓冲区的地址

S3C2440支持虚拟屏幕，可以通过改变LCD寄存器实现屏幕快速移动。

帧缓冲区的开始地址1寄存器LCDSADDR1，地址0x4D000014，复位值0x00000000。帧缓冲区的开始地址2寄存器LCDSADDR2，地址0x4D000018，复位值0x00000000。

8)FRAME缓存开始地址寄存器3 LCDSADDR3，地址0x4D00001C，复位值0x00000000

#define OFFSIZE 0x200 //虚拟屏幕左侧偏移的字节数(半字的数量)计算方法:虚拟屏幕上一行的半字－LCDpingshang一行的后半字

#define PAGEWIDTH 0x2C0//虚拟屏幕页面宽度(半字数)。这个值定义帧的可视端口的宽度。480×8/16=240

9)TCON控制寄存器TCONSEL、地址0x4D000060、复位值0xF84(取复位状态)

10)屏蔽LCD中断，LCDINTMSK、地址0x4D00005C、复位值0x3(取复位状态)

11)禁止临时调色板TPAL、地址0x4D000050、复位值0x00000000(取复位状态)

5 触摸屏工作原理

5.1 S3C2440触摸屏接口

S3C2440具有8通道模拟输入，10位CMOS的ADC(模数转换器)。最大的转换率是在2.5 MHz转换时钟下达到500 ksample/s。触摸屏接口XP，XM，YP，YM分别与XR，XL，YU，YD 连接如图4。供电电压3.3 V，输入模拟电压范围:0～3.3 V。图5为AD转换器和触摸屏接口的功能模块图。

当触摸屏接口使用时，XM或PM应该接触摸屏接口的地。当触摸屏设备不使用时，XM或PM应该连接模拟输入信号作为普通ADC转换用。

触摸屏接口模式可根据需要进行选择，常用的有正常转换模式、分离XY坐标转换模式、自动(连续)XY坐标转换模式、等待中断模式等。

图5 S3C2440 AD转换器和触摸屏接口的功能模块图

5.2 ADC及触摸屏接口特殊寄存器设置

/*ADC控制寄存器:ADCCON、地址0x58000000、复位值0x3FC4*/

#define PRSCEN 1//AD转换器预分频器(预定标器)使能0:无效1:有效

#define PRSCVL 32//AD转换器预分频器(预定标器)值数值:0～255

#define SEL_MUX 5//模拟输入通道选择000:AIN0 001:AIN1 010:AIN2011:AIN3100:YM 101:YP 110:XM 111:XP

#define STDBM 0//备用操作模式选择0:普通操作模式1:备用模式

#define START 0//AD转换通过读取开始。0表示通过读取操作开始无效，1表示通过读取操作开始有效

#define ENABLE_START 0//AD转换开始有效。如果READ_START有效，该值无效。0表示无操作，1表示AD转换开始且该位在开始后清零

注:当触摸屏触点(YM，YP，XM，XP)无效，这些引脚应该用于作为ADC 的模拟输入引脚(AIN4，AIN5，AIN6，AIN7)。

/*ADC触摸屏控制寄存器:ADCTSC、地址0x58000004、复位值0x58*/#define UD_SEN 0//检测光标上下状态0:检测光标按下中断信号1:检测光标抬起中断信号

#define PULL_UP 1//上拉开关使能。0表示XP上拉有效，1表示XP上拉无效。

#define AUTO_PST 1//自动连续转换X坐标和Y坐标:0表示普通ADC转换，1表示自动连续测量X坐标和Y坐标

ADC触摸屏控制寄存器如表5所示。

表5 ADC触摸屏控制寄存器(ADCTSC)

1)ADC开始延时寄存器:ADCDLY、地址0x58000008、复位值0x00FF。

2)ADC转换数据寄存器0:ADCDAT0、地址0x5800000C。

3)ADC转换数据寄存器1:ADCDAT1、地址0x58000010。

ADC转换数据寄存器(ADCDAT0/ADCDAT1)如表6所示。

表6 ADC转换数据寄存器(ADCDAT0/ADCDAT1)

4)ADC触摸屏指针上下中断检测寄存器:ADCUPDN、地址0x58000014、复位值0x0，即

ADC触摸屏指针上下中断检测寄存器(ADCUPDN)如表7所示。

表7 ADC触摸屏指针上下中断检测寄存器(ADCUPDN)

除上述初始化程序外，以下是该显示驱动的主要程序，供读者参考:

6 小结

通过以上对各寄存器的分析得知，只要根据所用的TFT触摸屏的参数，将ARM的LCD控制器与ADC触摸控制器对所设计的TFT－LCD及触摸屏项目参数对应找到修改寄存器的数值，即可达到控制的目的。程序编写时应根据数据的宽度适当调整DELAY控制参数。触摸屏读取X，Y数据时，应适当加入延时程序，防止抖动。ARM的LCD控制器允许设置VCLK，VLINE，VFRAME等信号的极性(上升沿有效还是下降沿有效)，需要对照设计的LCD的说明书进行确认。如果不是使用三星LPC3600/LCC3600LCD，必须禁止LPC3600/LCC3600模式。

［1］RM9 基础实验教程［EB/OL］.［2011－11－10］.http://www.embedinfo.com/.

［2］Roduct specifications 4.3”FT－LCD with touch panel module Model No.:WXCAT43－TG3#001［EB/OL］.［2011－ 11－10］.http://wenku.baidu.com/view/ae4cac2a3169a4517723a310.html?from=related.

［3］应云，曾伟，陈家胜.基于ARM的智能显示终端［J］.电子测量技术，2008，31(1):160－162.

［4］晓光，王永明，祝明德.基于CPLD的液晶显示屏与嵌入式处理器的接口设计［J］. 电子测量技术，2006(5):36－38.