1 引 言
TFT-LCD因其厚度薄且畫(huà)面質(zhì)量?jī)?yōu)異,可以實(shí)現(xiàn)信息的高速度、高亮度及高對(duì)比度顯示,已廣泛應(yīng)用于圖像顯示系統(tǒng)中。雖然TFT-LCD具有良好的顯示性能,但TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)非常復(fù)雜,同時(shí)外圍的控制單元需要處理的數(shù)據(jù)量非常大,以一個(gè)分辨率為640×480的彩色TFT-LCD為例,顯示一幅彩色圖像就需要處理900kbyte的數(shù)據(jù)量,這對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)等處理器顯得無(wú)能為力。由于圖像數(shù)據(jù)量大,目前圖像大都采用壓縮后再存儲(chǔ),其中JPEG (Joint PhotographicExperts Group)格式的壓縮圖像應(yīng)用最為廣泛。
為了解決圖像等大容量數(shù)據(jù)在TFT-LCD顯示屏上的應(yīng)用,本文提出了一種基于ARM9處理器S3C2440X的彩色液晶顯示模塊。模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)字符及彩色RGB格式圖像的顯示,同時(shí)還可以顯示JPEG格式的圖像。由于液晶顯示屏只能接收RGB格式的圖像數(shù)據(jù),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)JPEG格式的圖像顯示,必須對(duì)壓縮圖像進(jìn)行解壓縮,JPEG格式圖像的解碼功能在ARM9處理器上實(shí)現(xiàn)。本文提出的方法簡(jiǎn)化了彩色TFT-LCD圖像顯示的設(shè)計(jì)難度,同時(shí)為JPEG格式的解碼及液晶顯示提供了一種實(shí)現(xiàn)方法。液晶顯示模塊可以方便地與外接系統(tǒng)接口,實(shí)現(xiàn)圖像顯示模塊的功能。
2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
模塊硬件包括4個(gè)部分:ARM9S3C2440X處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊及RS232串口通信模塊。模塊中使用了兩種非易失性閃存NAND Flash和NOR Flash??紤]到NOR Flash具有芯片內(nèi)執(zhí)行及可靠性高的特點(diǎn),使用它來(lái)存儲(chǔ)ARM9處理器運(yùn)行的程序代碼;存儲(chǔ)容量大且高單元密度的NAND Flash用來(lái)存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù),作為圖像庫(kù)及字符庫(kù)的存儲(chǔ)單元。SDRAM 作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器使用。TFT-LCD LQ080V3DG01作為模塊的顯示屏使用。與其他外部模塊通信采用RS232串口方式。
模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有:JPEG 格式圖像的解碼;支持24bit彩色RGB圖像數(shù)據(jù)及JPEG兩種格式圖像的顯示;字符的顯示;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為64Mbyte,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像庫(kù)及字符庫(kù)的更新;可以設(shè)置不同的串口波特率。模塊功能框圖如圖1所示。
圖1 模塊功能框圖。
2.1 ARM9嵌入式處理器S3C2440X
S3C2440X是一款基于ARM920T 內(nèi)核、主頻最高達(dá)400MHz、適用于嵌入式應(yīng)用的RISC處理器。它支持可配置的8,16,32bit數(shù)據(jù)總線寬度。在存儲(chǔ)器接口方面,最多可以擴(kuò)展6個(gè)通道的ROM 或RAM 存儲(chǔ)器,以及2 個(gè)通道的SDRAM,同時(shí)它還支持NAND Flash、NORFlash存儲(chǔ)器擴(kuò)展。
它內(nèi)部的ARM920T 內(nèi)核具有高速微控制器總線(AMBA BUS)結(jié)構(gòu)及哈佛結(jié)構(gòu)的高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache),高速緩沖分別是16kbyte程序及16kbyte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,使其具有良好的高速性能[3];具有豐富的外圍設(shè)備,包括LCD控制器、UART、USB、SD 及SPI等接口,可以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。
2.1.1 LCD控制器
S3C2440X內(nèi)部LCD控制器接口支持STNLCD及TFT-LCD的無(wú)縫連接,它支持單色、調(diào)色板彩色及24bit真彩色的顯示。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求,通過(guò)程序編程可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的LCD分辨率,數(shù)據(jù)格式及幀頻等設(shè)置,從而滿足各種類型的LCD模塊。S3C2440XLCD控制器用來(lái)傳輸視頻數(shù)據(jù)VD [23:0],同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)VSYNC、HSYNC、VDEN及LEND,時(shí)序圖如圖1所示。實(shí)現(xiàn)LCD 控制器功能的關(guān)鍵是根據(jù)LCD時(shí)序的要求,合理配置控制器寄存器。
圖2 TFT-LCD時(shí)序圖。
圖1中的信號(hào)定義如下:
VSYNC:LCD控制器和LCD之間的幀同步信號(hào),高電平有效時(shí)表示一幀圖像的起始。
HSYNC:行同步信號(hào),由水平有效像素的大小決定。
VCLK:LCD時(shí)鐘信號(hào),在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)數(shù)據(jù)送入LCD移位寄存器內(nèi)。
VDEN:數(shù)據(jù)使能信號(hào),高電平表示數(shù)據(jù)有效。
LEND:行結(jié)束信號(hào)。
VD[23:0]:RGB數(shù)據(jù)信號(hào)線。對(duì)于24bitTFT-LCD,R、G、B各占8位;而對(duì)于16bit TFT屏有兩種方式:5∶6∶5及5∶5∶5+1,使用時(shí)需要注意要與相應(yīng)TFT-LCD的信號(hào)相一致。
2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
NAND Flash是一種固態(tài)內(nèi)存,與EEPROM相比,具有讀寫(xiě)速度快的優(yōu)勢(shì);與SRAM 相比,具有非易失性等優(yōu)勢(shì)。圖像尤其是彩色圖像數(shù)據(jù)量大,因此需要考慮使用大容量的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。另外,考慮到斷電后數(shù)據(jù)的非易失性,因此選擇NAND Flash作為存儲(chǔ)器件。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元NAND Flash包括圖像庫(kù)及字符庫(kù),其中字符庫(kù)存儲(chǔ)容量是8Mbyte,圖像庫(kù)存儲(chǔ)容量是56Mbyte。模塊選用NAND FlashK9F1216U0A作為圖像的存儲(chǔ)器件,它的容量大小為64M×8bit,其中每頁(yè)是(512+16)byte,塊大小是(16k+512)byte;隨機(jī)讀取一頁(yè)數(shù)據(jù)的最大時(shí)間是12μs,而向NAND Flash寫(xiě)入一頁(yè)數(shù)據(jù)的典型時(shí)間是200μs。以分辨率為640×480的RGB 彩色圖像為例,圖像數(shù)據(jù)大小是900byte,因此將此圖像寫(xiě)入Flash的最大時(shí)間是341μs,然后將此圖像從Flash讀出的最長(zhǎng)時(shí)間是21μs。
以分辨率為640×480的RGB格式彩色圖像為例,56Mbyte的圖像存儲(chǔ)容量可以存儲(chǔ)62幅圖像,完全可以滿足大容量存儲(chǔ)的要求。在存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的編程過(guò)程中,由于NAND Flash是以頁(yè)為單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),這就意味著一幅圖像需要占用多個(gè)頁(yè)的存儲(chǔ)空間。需要注意的是,由于NAND Flash器件存在壞塊單元,而且壞塊是隨機(jī)分布的,因此需要對(duì)壞塊進(jìn)行標(biāo)記處理,對(duì)它們標(biāo)記為不可用,這樣就避免了由于壞塊單元引起的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤。
2.1.3 JPEG圖像解碼
JPEG是一種目前廣泛使用的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),它以其顯著的壓縮效率和較低的圖像質(zhì)量損失獲得了廣泛應(yīng)用,成為國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)。
JPEG的目的是提供一種使用于各種連續(xù)色調(diào)圖像的壓縮方法,并且能夠易于硬件實(shí)現(xiàn),具有良好的性價(jià)比。為了滿足各種應(yīng)用需求,它提供了兩種壓縮編碼技術(shù):基于離散余弦變換(DCT)的有損壓縮編碼和基于DPCM 的無(wú)損編碼,這兩種編碼方式可以采用4種操作模式來(lái)實(shí)現(xiàn):順序編碼、累進(jìn)編碼、無(wú)損編碼及層次編碼。其中基于DCT變換的順序編碼方式最常用。
以基于離散余弦變換的順序編碼方式來(lái)說(shuō)明JPEG圖像解碼的過(guò)程。圖像解碼是壓縮編碼的反過(guò)程,解碼的碼流起始位置標(biāo)志信息,解碼器根據(jù)JPEG壓縮圖像的文件頭信息,得到原始圖像的基本信息。得到原始圖像信息后,解碼器根據(jù)JPEG文件中的霍夫曼表進(jìn)行解碼。由于熵編碼過(guò)程中使用霍夫曼編碼分別對(duì)DC及AC系數(shù)進(jìn)行編碼,其中系數(shù)編碼的順序采用zig-zag序列,因此實(shí)現(xiàn)解碼時(shí)需要考慮這些相關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)程,詳細(xì)信息請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]。根據(jù)量化系數(shù)表,經(jīng)霍夫曼解碼后的系數(shù)與相應(yīng)的量化值進(jìn)行乘積,然后進(jìn)行反余弦變換。需要注意的是,JPEG 圖像使用的是YCrCb模型,其中Y 是亮度分量,Cr及Cb是色度分量,需要將系數(shù)的色彩空間從YCrCb轉(zhuǎn)換到RGB空間,最終得到圖像的R、G、B 數(shù)據(jù)值,這些數(shù)據(jù)才可以在液晶顯示屏上顯示。
根據(jù)JPEG 文件交換格式提供的資料文獻(xiàn)[6],YCrCb色彩空間到RGB色彩空間的轉(zhuǎn)換見(jiàn)公式(1)。
考慮到延時(shí)應(yīng)盡量小,程序在NOR Flash存儲(chǔ)器上執(zhí)行效率低。圖像解碼算法中應(yīng)合理安排在ARM9中的內(nèi)存分配。設(shè)計(jì)過(guò)程中將頻繁訪問(wèn)的程序代碼及數(shù)據(jù)搬運(yùn)到ARM9內(nèi)部高速緩沖存儲(chǔ)器中,從而提高編碼的效率。由于順序編碼方式最常用,它通常稱為JPEG 基本系統(tǒng)(BaseLine)。設(shè)計(jì)過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)的JPEG 圖像解碼支持順序編碼,完全可以滿足應(yīng)用要求。
2.2 TFT-LCD LQ080V3DG01
實(shí)驗(yàn)中選用LQ080V3DG01彩色液晶顯示模塊測(cè)試設(shè)計(jì)效果。LQ080V3DG01 由彩色TFT-LCD面板、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、供電電路及背光單元組成。它支持最大分辨率為640×480的圖形和文字顯示,數(shù)據(jù)輸入格式為18bit,其中紅綠藍(lán)各占6bit,提供的顏色共262 144種。
TFT-LCD需要+3。3V或+5V供電電壓,背光需要交流電源供電。輸入的控制信號(hào)有4個(gè):幀同步信號(hào)VSYNC、行同步信號(hào)HSYNC、數(shù)據(jù)使能信號(hào)ENAB及時(shí)鐘信號(hào)CK。數(shù)據(jù)線寬度是18bit,紅綠藍(lán)各占6bit,分別是R [0∶5]、G [0∶5]及B [0∶5],顏色配置信息如表1所示。
表1 輸入數(shù)據(jù)信號(hào)及顏色顯示配置
LQ080V3DG01液晶顯示屏的數(shù)據(jù)線共18bit,對(duì)于24bit的彩色圖像以及24bit的ARM9S3C2440X的TFT-LCD控制器而言,其接口并不兼容。設(shè)計(jì)中為了適應(yīng)LQ080V3DG01液晶顯示屏的接口,分別舍棄了8bit R、G、B 值的低2位,測(cè)試結(jié)果顯示效果良好。如果選用的TFTLCD是24bit數(shù)據(jù)線,則可以直接連接到LCD控制器相應(yīng)的數(shù)據(jù)線。
3 模塊設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)
3.1 工作流程
在ARM9執(zhí)行初始化后,主程序就等待外部模塊通過(guò)串口發(fā)送指令。外接模塊通過(guò)RS232串口與本模塊通信,根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送不同的指令,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。在約定的串口波特率下,通信協(xié)議如下:顯示圖像時(shí)首先發(fā)送指令0x55,然后再發(fā)送圖像在圖像庫(kù)中的編號(hào);顯示字符時(shí)首先發(fā)送指令0x56,然后再發(fā)送字符在字符庫(kù)中的編號(hào),最后發(fā)送字符在液晶屏上顯示的橫軸及縱軸坐標(biāo)。需要說(shuō)明的是,在NAND Flash存儲(chǔ)空間中的圖像庫(kù)及字符庫(kù)是自己定義的,可以重新下載更新。軟件流程圖如圖3示。
圖3 軟件流程圖
3.2 彩色圖像顯示
所設(shè)計(jì)的模塊支持24bit彩色RGB及JPEG兩種格式的圖像顯示。因?yàn)橄袼財(cái)?shù)據(jù)可以直接送到液晶接口控制模塊顯示,而JPEG格式的圖像則必須經(jīng)過(guò)解碼之后才能顯示,所以圖像在顯示前,需要先判斷圖像數(shù)據(jù)是什么格式。如果圖像數(shù)據(jù)是JPEG格式,則必須經(jīng)過(guò)圖像解碼,解碼后得到原始彩色圖像的像素?cái)?shù)據(jù)值R、G、B,這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)顯示控制單元送到液晶屏顯示。如果圖像是原始圖像的數(shù)據(jù),則可以直接送到液晶控制模塊進(jìn)行顯示。
由于要顯示的圖像存儲(chǔ)在NAND Flash的圖像庫(kù)存儲(chǔ)空間,所以在將彩色圖像輸出到TFT-LCD顯示時(shí),首先要將需要顯示的圖像數(shù)據(jù)從NAND Flash中讀取出來(lái),得到一幅24bit彩色圖像的完整原始圖像數(shù)據(jù)。原始圖像數(shù)據(jù)中,一個(gè)像素占用3byte,其中R、G、B 各占1byte。將數(shù)據(jù)輸出給TFT-LCD 顯示前,需要根據(jù)LCD接收的數(shù)據(jù)格式將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后才能輸出顯示,圖像數(shù)據(jù)按照從上到下,自左向右的順序輸出[9]。同樣,將TFT-LCD按照相同的順序進(jìn)行掃描,最終完成整幅圖像的顯示。
NAND Flash存儲(chǔ)著大量的圖像數(shù)據(jù),為了區(qū)分不同的圖像數(shù)據(jù),將相應(yīng)的圖像輸出顯示,模塊采用RS232串口與外界通信。通過(guò)發(fā)送不同的指令,可以將在NAND Flash上存儲(chǔ)的相應(yīng)圖像讀取出來(lái),輸出在TFT-LCD上,最終實(shí)現(xiàn)各種彩色圖像的顯示。
3.3 字符顯示
字符采用16×16點(diǎn)陣,由于每個(gè)像素占用3byte,所以每個(gè)字符占用768byte??梢詫⒊S米址鎯?chǔ)在NAND Flash中,作為字符庫(kù)使用,需要時(shí)調(diào)用即可。當(dāng)顯示字符時(shí),首先要確認(rèn)相應(yīng)字符在存儲(chǔ)器中的位置,然后根據(jù)地址信息對(duì)相應(yīng)字符進(jìn)行操作,最后根據(jù)字符要顯示的位置在液晶屏上輸出,實(shí)現(xiàn)字符在液晶屏上的顯示。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為字符庫(kù)分配8Mbyte空間,可以存儲(chǔ)10 922個(gè)字符。字符庫(kù)還可以實(shí)現(xiàn)更新,只需將存儲(chǔ)器NAND Flash對(duì)應(yīng)地址空間的內(nèi)容替換即可。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了測(cè)試模塊的正確性,將一幅分辨率為640×480的圖像"AutumnLeaves"下載到NANDFlash存儲(chǔ)器中,它在圖像庫(kù)中的編號(hào)為0x01。
根據(jù)串口通信協(xié)議,向液晶顯示模塊發(fā)送指令0x55,然后再發(fā)送圖像在圖像庫(kù)中的編號(hào)0x01。
顯示模塊接收到指令后,液晶屏顯示效果如圖4所示。測(cè)試結(jié)果表明,模塊工作正常,發(fā)送顯示其他圖像及字符的指令同樣效果良好,運(yùn)行可靠,達(dá)到了模塊方案設(shè)計(jì)要求。
圖4 液晶屏顯示圖像測(cè)試結(jié)果。
5 結(jié) 論
提出了一種基于ARM9的24bit彩色TFTLCD液晶顯示模塊設(shè)計(jì)方案。圖像及字符庫(kù)存儲(chǔ)在NAND Flash固態(tài)閃存中,保證了圖像及字符的實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像庫(kù)及字符庫(kù)的更新。提供了串口通信方式,可以方便地實(shí)現(xiàn)與其他外接系統(tǒng)交互。該模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了彩色TFT-LCD顯示圖像的設(shè)計(jì)難度,提高了開(kāi)發(fā)效能。模塊可以兼容不同類型的彩色TFT-LCD,為液晶顯示模塊的彩色圖像顯示提供了一種新的方法。