基于ARM處理器的LCD控制及觸摸屏接口設計

0 引言

隨著信息技術的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)正在越來越廣泛的應用到航空航天、消費類電子、通信設備等領域。而在嵌入式系統(tǒng)中，LCD作為人機交互的主要設備之一，顯示系統(tǒng)又是不可缺少的一部分。近年來，隨著微處理器性能的不斷提高，特別是ARM處理器系列的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的功能也變得越來越強大。液晶顯示器由于具有功耗低、外形尺寸小、價格低、驅(qū)動電壓低等特點以及其優(yōu)越的字符和圖形的顯示功能,已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)使用中的首選的輸出設備。隨著多媒體技術的發(fā)展，單色的LCD已不能滿足人們在各種多媒體應用方面的更高要求，彩色LCD正越來越廣泛地被應用到嵌入式系統(tǒng)中。觸摸屏是人們獲取信息的一種便利工具, 已廣泛應用于工商、稅務、銀行等各種需要對公眾提供信息服務的行業(yè)^[1]。觸摸屏作為一種特殊的計算機外設，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備^[2]。

S3C44B0X是三星公司生產(chǎn)的基于ARM7TDMI內(nèi)核的RISC微處理器，主頻可達66MHz^[3]。它集成了包括LCD控制器在內(nèi)的等外圍器件。LM7M632是Sharp公司推出的分辨率為640240的STN型彩色LCD顯示屏,支持256色顯示^[4]。本文重點討論了S3C44B0X與LM7M632及ADS7843的接口設計以及LCD和觸摸屏的驅(qū)動過程。

1 S3C44B0X中內(nèi)置LCD控制器介紹

S3C44B0X中內(nèi)置的LCD控制器可以支持4級灰度、16級灰度的黑白LCD和256級顏色的彩色LCD屏；支持3種LCD驅(qū)動器：4位雙掃描，4位單掃描，8位單掃描顯示模式。內(nèi)置的LCD控制器的作用是將定位在系統(tǒng)存儲器（SDRAM）中的顯示緩沖區(qū)中的LCD圖像數(shù)據(jù)傳送到外部LCD驅(qū)動器，并產(chǎn)生必須的LCD控制信號^[5]。圖1為LCD控制器內(nèi)部結(jié)構框圖。其中，VCLK是LCD控制器和LCD驅(qū)動器之間的像素時鐘信號；VLINE是LCD控制器和LCD 驅(qū)動器之間的行同步脈沖信號；VFRAME是LCD控制器和LCD驅(qū)動器之間的幀同步信號。VM是LCD驅(qū)動器的AC信號。VD[3∶0 ]和VD[ 7∶4 ] 是LCD像素點數(shù)據(jù)輸出端口。

圖1：LCD 控制器內(nèi)部結(jié)構圖

2 LCD模塊及硬件接口

LM7M632是按照8位單掃描模式工作的。所謂8位單掃描方式，就是顯示采用8位并行數(shù)據(jù)線進行“行”數(shù)據(jù)連續(xù)移位輸出，直到整個幀的數(shù)據(jù)都被移出為止。LCD模塊接口信號線的定義如表1所示，圖2為LCD控制器與LCD的硬件接口的連接圖。在該顯示系統(tǒng)的硬件電路中，S3C44B0中的內(nèi)置LCD控制器與LCD模塊LM7M632的連接是關鍵。圖3是LM7M632模塊接口時序圖。其中，YD是幀（寫滿整個屏的數(shù)據(jù)稱為1個“幀”）同步信號，該信號啟動LCD屏的新一幀的數(shù)據(jù)。兩個YD脈沖之間的時間長度就稱之為“幀周期”。根據(jù)LCD模塊的特性，幀刷新周期為12ms到14ms，頻率為70Hz～80Hz。每1幀中包含240個LP脈沖。LP為行（共240行）數(shù)據(jù)輸入鎖存信號，該信號啟動LCD屏新的一行的數(shù)據(jù)。也就是行同步脈沖信號。每1行中包括6403/8個XCK脈沖信號。XCK為行數(shù)據(jù)輸入信號，也就是每一行中像素點數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘信號；每組8位的數(shù)據(jù)在XCK的下降沿處被輸入鎖存。D0~D7是8位的顯示數(shù)據(jù)輸入信號。

表1：LCD模塊(LM7M632)接口信號線定義

圖2：LCD控制器與LCD硬件連接方法：

圖3：LM7M632模塊接口時序圖

在該顯示系統(tǒng)中,其顯示方式是以直接操作顯示緩沖區(qū)（SDRAM）的內(nèi)容進行,LCD控制器會通過DMA方式從顯示緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù),不需要CPU干預。在256色顯示模式下,顯示緩沖區(qū)中的一個字節(jié)數(shù)據(jù)代表LCD上的一個點的顏色信息,因此,所需要的緩沖區(qū)的大小為640 240 1 字節(jié),其中每個字節(jié)的RGB數(shù)據(jù)格式為：由3位紅色(Bit7~Bit5)、3位綠色(Bit4~Bit2)、2位藍色 (Bit1~Bit0) 組成。

3 觸摸屏原理及硬件接口

觸摸屏按其工作原理的不同可分為表面聲波屏、電容屏、電阻屏和紅外屏幾種^[6]。其中最常見的是電阻式觸摸屏，其屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復合薄膜。觸摸屏工作時，上下導體層相當于電阻網(wǎng)絡。當某一層電極加上電壓時，會在該網(wǎng)絡上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點接觸，則在另一層未加電壓的電極上可測得接觸點處的電壓，從而知道接觸點處的坐標。

ADS7843是TI公司生產(chǎn)的四線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750µW，而在關閉模式下的功耗僅為0.5µW。由于具有低功耗和高速等特性，所以被廣泛應用。圖4是S3C44B0同ADS7843的連接電路。X+、Y+、X- 、Y-是轉(zhuǎn)換器模擬輸入端，DCLK是外部時鐘輸入；CS 是片選端；DIN 是串行輸入，其控制數(shù)據(jù)通過該引腳輸入；DOUT是串行數(shù)據(jù)輸出，用于輸出轉(zhuǎn)換后的觸摸位置數(shù)據(jù)．最大數(shù)為二進制的4095； IN3、IN4是輔助輸入；PENIRQ是PEN中斷引腳。其中，S3C44B0選取PG口與ADS7843接口，共使用PG2 - PG7的6條口線。

圖4：S3C44B0與ADS7843的接口電路

4、彩色液晶顯示及觸摸屏軟件設計

4.1 LCD顯示

4.1.1 初始化LCD端口。

由于LCD模塊與S3C44B0相連，LCD是8位數(shù)據(jù)線，所以必須初始化S3C44B0X的C口與D口。其程序如下： rPDATC = rPDATC ～ (1 8) | (1 8)；/ / LCD使能

rPCONC = rPCONC ～ ( 0xff 8) | ( 0xff 8)；/ / 配置VD[7∶4 ]

rPCOND = 0xaaaa;/ /配置VD[3∶0 ]，VCLK，VLINE，VM，VFRAME

rPDATC=0xffff ；

4.1.2 申請大小為640240字節(jié)大小的顯示緩沖區(qū)。

顯示緩沖區(qū)就是在系統(tǒng)存儲器中劃出一塊區(qū)域，用來存放要顯示的圖像數(shù)據(jù)。將要顯示的圖像數(shù)據(jù)直接放入顯示緩沖區(qū)就能直接在LCD顯示屏上顯示出所顯示的圖像。其程序如下：

frameBuffer256= (unsigned char*)malloc(ARRAY_SIZE_COLOR);其中ARRAY_SIZE_COLOR=640240

4.1.3 初始化LCD控制寄存器

在點亮LCD之前，還應該對LCD控制器相關的寄存器進行初始化^[6]，使LCD控制器的配置與外接LCD顯示模塊特性相匹配，包括設置LCD分辨率、掃描頻率、顯示模式、產(chǎn)生控制信號和控制時序等。

4.1.4 LCD顯示

LCD初始化之后，由于在S3C44B0X中，CUP不支持文件管理，必須把要顯示的圖片包含到程序中。例如，如果要在LCD顯示640240大小的圖片，在實際操作中，首先應使用轉(zhuǎn)換工具（如：Image2Lcd）把圖片轉(zhuǎn)換成c格式的數(shù)組文件，即把每一個像素點的顏色轉(zhuǎn)換成用一個字節(jié)表示，然后把整個文件保存成240640的數(shù)組形式。然后把文件包含在項目工程中，用循環(huán)語句即可實現(xiàn)顯示。如要顯示漢字、字符和數(shù)字等, 其方法和原理與顯示圖像基本一樣。

4.2 觸摸屏軟件設計

4.2.1觸摸屏模式設置

ADS7843的參考電壓模式設置分為兩種：單端模式和差分模式。在單端模式中，參考輸入電壓選取的是V cc 和GND ,由于內(nèi)部的開關電阻壓降影響轉(zhuǎn)換結(jié)果帶來誤差,所以轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的低阻開關對轉(zhuǎn)換精度有一定影響；差分模式參考輸入由未選中的輸入通道Y + 、Y - 、 X + 、X - 提供參考電源和地，不管內(nèi)部開關電阻如何變化,其轉(zhuǎn)換結(jié)果總與觸摸屏的電阻成比例,克服了內(nèi)部開關電阻的影響,但當轉(zhuǎn)換頻率很高時則增加了功耗,需要考慮低功耗設計。

4.2.2 PENIRQ作用

由于觸摸屏A/D采樣時功耗增加，所以軟件設計中，只有在用戶按下觸摸屏時，才需要進行A/D轉(zhuǎn)換。為了降低功耗，充分利用該芯片的能力，配合軟件設計，硬件電路設計成按下觸摸屏時，通過PENIRQ 向MCU發(fā)出中斷。同時軟件配置ADS7843采用筆中斷功能降低功耗，當按下觸摸屏時，則PENIRQ引腳電位變低，MCU收到中斷請求后可以發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令，并查詢BUSY引腳直到轉(zhuǎn)換完成取出坐標。啟動轉(zhuǎn)換分兩次進行，分別獲得x和y方向的坐標。

4.2.3 觸摸屏程序設計流程

充分權衡單端模式和差分模式的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)選擇參考電壓的輸入模式為差分模式，控制程序使用的狀態(tài)字^[7]設置為：X通道0x90，Y通道0xD0。觸摸屏程序流程如圖5所示。程序中S3C44B0X的GPG7在下降沿觸發(fā)的情況下檢測PENIRQ是否為低電平，若為低電平則認為有按下觸摸屏；否則認為沒有按下觸摸屏。利用I/O口模擬DIN，DOUT和DCLK上的3線串行傳輸時將讀取的x或y軸坐標數(shù)值的控制字送入ADS7843，后再串行讀出坐標值。坐標值送給S3C44B0X，CPU經(jīng)過處理后在LCD上顯示相應的信息并執(zhí)行相應的參數(shù)指令，整個系統(tǒng)都是可以按照LCD上的提示，通過觸摸屏來控制，從而完成人機交互的功能。

圖5：觸摸屏程序流程圖

5 結(jié)束語

在嵌入式系統(tǒng)中，LCD作為人機交互的主要設備之一，具有重要的作用。本文完成了S3C44B0X控制LCD及觸摸屏的軟硬件設計，實踐證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠, 能夠達到預期效果。本文為人機界面中的LCD的硬件設計與控制驅(qū)動提供了一種實用解決方案，本方案可應用于其它嵌入式系統(tǒng)中。

參考文獻

[1] 李力,黎敏等.一種基于MIS 的觸摸屏漢字輸入方法的設計[J].微機算機與信息，2006.23：98-91.

[2] 賴誠,觸摸屏原理及在單片機系統(tǒng)的應用[J]. 商場現(xiàn)代化, 2006年6月(下旬刊)總第471期

[3] Samsung Electronics User’s Manual S3C44B0X 32BitRISC Microprocessor [Z]. 2003.

[4] Sharp Microelectronic User’s Manual LM7M632 Passive Matrix LCD Module [Z]. 1998.

[5] 李巖,榮盤祥. 基于S3C44B0X嵌入式µCLinux系統(tǒng)原理及應用[M].北京，清華大學出版社，2005.1

[6] 陳賾.ARM嵌入式實踐教程[M].北京，北京航空航天大學出版社，2005.2. 149-150

[7] ADS7843 Datasheet[Z]. TI, JULY.2001