基于FPGA的彩色TFT-LCD控制電路設計及其ASIC實現(xiàn)

　　1引言

　　通過彩色液晶顯示器(LCD)取景是數(shù)碼相機優(yōu)于傳統(tǒng)相機的重要特性之一，它解決了使用取景框取景帶來的各種不便，而且可以在拍攝現(xiàn)場用液晶顯示器回放剛拍的相片來查看拍攝效果[1]，從而決定是否留下這張照片，這樣能使攝影者更好地控制照片的質(zhì)量。所以用液晶顯示器進行取景和回放是數(shù)碼相機兩大必不可少的功能。同時液晶顯示器還用來顯示菜單，提供良好的人機交互界面。目前市場上出售的數(shù)碼相機使用的液晶顯示器都是彩色TFT液晶顯示器，這種液晶顯示器解決了一般液晶顯示器中相鄰像素串擾的現(xiàn)象[2]，所以可用來顯示真正的活動圖像。

　　數(shù)碼相機專用集成電路芯片中的液晶顯示控制電路主要實現(xiàn)的功能是向液晶顯示模塊(LCM)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供所有必需的控制時序信號，同時接受來自系統(tǒng)的YCbCr格式的圖像數(shù)據(jù)，然后進行色空間 變換將圖像轉(zhuǎn)化成RGB格式，接著按照一定的順序以每個像素一種顏色的方式向片外DAC輸出圖像數(shù)據(jù)。

　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設計要求

　　圖1給出了我們設計的數(shù)碼相機系統(tǒng)芯片中有關(guān)LCD顯示部分的示意圖。根據(jù)設計數(shù)碼相機專用集成電路芯片的系統(tǒng)要求，液晶顯示控制電路可用來控制多種規(guī)格的液晶顯示模塊，從6萬多像素到20多萬像素。此電路有兩種工作模式：取景模式和回放模式，分別顯示動態(tài)和靜態(tài)圖像。同時電路要具有多種掃描方式 ——上下左右的組合共有四種。因此此電路必須具備高度的靈活性，可由系統(tǒng)對其工作狀態(tài)進行編程控制。

　　3電路設計

　　根據(jù)設計要求，我們先確定電路的總體框架，然后設計各個模塊并用Verilog HDL語言描述實現(xiàn)，最后進行RTL級的仿真。圖2是整個電路的功能框圖。

　　整個液晶顯示控制電路由四個模塊組成，分別是寄存器文件、有限狀態(tài)機、數(shù)據(jù)處理器和脈沖發(fā)生器。該電路的信號線主要和三個電路相關(guān)，一是和MCU接口電路相關(guān)，包括MCU_AB(地址總線)、MCU_DB(數(shù)據(jù)總線)、MCU_nWR(寫使能)、MCU_nRD(讀使能)和MCU_nCS(MCU操作選中信號);二是和液晶顯示模塊及數(shù)模轉(zhuǎn)換器相關(guān)，包括從脈沖發(fā)生器輸出的控制整個圖像顯示的時序信號和紅、綠、藍三原色數(shù)據(jù)以及PSAVE、BLANK和D_CLK三個控制DAC轉(zhuǎn)換的信號;三是和數(shù)碼相機專用集成電路芯片中的其他子模塊相連，包括DMA_Req1、DMA_Req2、DMA_Ack1、DMA_Ack2四個DMA操作的交互信號和16位的YCbCr數(shù)據(jù)信號。SYSRST和SYSCLK分別是系統(tǒng)復位和時鐘信號。以下分別對各個模塊的設計進行分析。

　　3.1 寄存器文件模塊

　　寄存器文件模塊主要由兩部分組成：MCU接口和寄存器陣列。通過MCU接口系統(tǒng)可以對寄存器陣列進行讀寫操作，從而使液晶顯示控制電路具有靈活多變的特點，可以控制多種規(guī)格的液晶顯示模塊，在多種模式下工作，可以輸出多種掃描方式的控制信號，可以將圖像顯示在顯示器的任一區(qū)域，同時還具有軟件復位功能。整個寄存器陣列由 30個8位寄存器組成，分為三大類：模式寄存器、狀態(tài)寄存器和波形參數(shù)寄存器。模式寄存器的低7 位有效，如圖3所示。

　　第0位為狀態(tài)/復位位，它輸出給MCU，并接液晶顯示控制電路中其他模塊的觸發(fā)器的復位端。在系統(tǒng)復位和顯示結(jié)束時該位為1，表示空閑并使接口處于復位狀態(tài)。若系統(tǒng)把該位置為0，則電路的復位狀態(tài)被解除并處于工作狀態(tài)。第1、2 位用來決定顯示時的掃描方式，其中V_DIR表示幀掃描方式，此位置1表示從上到下掃描，置0表示從下到上掃描;H_DIR表示行掃描方式，置1和置0分別表示從左到右和從右到左掃描，兩位組合共有四種掃描方式。RSA、RSB和RSC三位用來表示使用哪種規(guī)格的液晶顯示模塊，它們的組合及對應的顯示器分辨率如表1所示。MODE位用來表示工作模式，1表示工作在取景模式下，0表示工作在回放模式下。

　　狀態(tài)寄存器包括行數(shù)寄存器、列數(shù)寄存器、起始行寄存器、終止行寄存器、起始列寄存器、終止列寄存器以及奇偶數(shù)行的顏色順序寄存器。行數(shù)寄存器和列數(shù)寄存器設置顯示一幀圖像所需的垂直時鐘脈沖數(shù)和掃描一行圖像所需的水平時鐘脈沖數(shù)，對于不同規(guī)格和品牌的液晶顯示器這兩個寄存器參數(shù)是不同的。起始行寄存器、終止行寄存器、起始列寄存器和終止列寄存器設置顯示圖像的范圍，如圖4所示，這樣實現(xiàn)了可以將圖像顯示在顯示器任意區(qū)域的設計要求。由于TFT彩色液晶顯示器每個像素只顯示三原色中的一種顏色，它是和相鄰像素一起顯示彩色效果的，所以奇偶數(shù)行的顏色順序是不同的。為了保證在某一像素點上給出正確的原色數(shù)據(jù)信號，在一定的掃描方式下，起始行寄存器和起始列寄存器必須與奇偶數(shù)行的顏色順序寄存器相一致。例如，使用280×220型號的液晶顯示器，在V_DIR=0(從上到下掃描)和H_DIR=1 (從左到右掃描)時奇數(shù)行的顏色順序是RGB，偶數(shù)行顏色順序為GBR，所以在設置起始行寄存器和起始列寄存器時一定要保證這樣的顏色順序，才能正確顯示。

　　脈沖參數(shù)寄存器設置了各驅(qū)動脈沖波形的時間參數(shù)，若干個寄存器對應于一相驅(qū)動脈沖。當有限狀態(tài)機模塊中的行計數(shù)器和列計數(shù)器的狀態(tài)與某些脈沖參數(shù)寄存器的設置相同時，相應的輸出脈沖發(fā)生翻轉(zhuǎn)。對于不同規(guī)格和品牌的液晶顯示器這些參數(shù)是不同的，即使對于同一產(chǎn)品，在不同掃描模式下它們也是不同的。