基于ADSP-21160的液晶驅動電路設計及系統軟件實現

　　薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)具有重量輕、平板化、低功耗、無輻射、顯示品質優良等特點，其應用領域正在逐步擴大，已經從音像制品、筆記本電腦等顯示器發展到臺式計算機、工程工作站(EWS)用監視器。對液晶顯示器的要求也正在向高分辨率、高彩色化發展。

　　由于CRT顯示器和液晶屏具有不同的顯示特性，兩者的顯示信號參數也不同，因此在計算機(或MCU)和液晶屏之間設計液晶顯示器的驅動電路是必需的，其主要功能是通過調制輸出到LCD電極上的電位信號、峰值、頻率等參數來建立交流驅動電場。

　　本文實現了將VGA接口信號轉換到模擬液晶屏上顯示的驅動電路，采用ADI公司的高性能DSP芯片ADSP-21160來實現驅動電路的主要功能。

　　硬件電路設計

　　AD9883A是高性能的三通道視頻ADC可以同時實現對RGB三色信號的實時采樣。系統采用32位浮點芯片ADSP-21160來處理數據，能實 時完成伽瑪校正、時基校正、圖像優化等處理，且滿足了系統的各項性能需求。ADSP-21160有6個獨立的高速8位并行鏈路口，分別連接ADSP- 21160前端的模數轉換芯片AD9883A和后端的數模轉換芯片ADV7125。ADSP-21160具有超級哈佛結構，支持單指令多操作數 (SIMD)模式，采用高效的匯編語言編程能實現對視頻信號的實時處理，不會因為處理數據時間長而出現延遲。

　　系統硬件原理框圖如圖1所示。系統采用不同的鏈路口完成輸入和輸出，可以避免采用總線可能產生的通道沖突。模擬視頻信號由AD9883A完成模數轉 換。AD9883A是個三通道的ADC，因此系統可以完成單色的視頻信號處理，也可以完成彩色的視頻信號處理。采樣所得視頻數字信號經鏈路口輸入到 ADSP-21160，完成處理后由不同的鏈路口輸出到ADV7125，完成數模轉換。ADV7125是三通道的DAC，同樣也可以用于處理彩色信號。輸 出視頻信號到灰度電壓產生電路，得到驅動液晶屏所需要的驅動電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標志腳，可用于接受外部控制信號，給系統及其 模塊發送控制信息，以使整個系統穩定有序地工作。例如，ADSP-21160為灰度電壓產生電路和液晶屏提供必要的控制信號。另外，系統還設置了一些 LED燈，用于直觀的指示系統硬件及DSP內部程序各模塊的工作狀態。

　　圖1 系統硬件原理框圖

　　本設計采用從閃存引導的方式加載DSP的程序文件，閃存具有很高的性價比，體積小，功耗低。由于本系統中的閃存既要存儲DSP程序，又要保存對應于 不同的伽瑪值的查找表數據以及部分預設的顯示數據，故選擇ST公司的容量較大的M29W641DL，既能保存程序代碼，又能保存必要的數據信息。

　　圖2為DSP與閃存的接口電路。因為采用8位閃存引導方式，所以ADSP-21160地址線應使用A20～A0，數據線為D39～32，讀、寫和片選信號分別接到閃存相應引腳上。

　　圖2 DSP和Flash的接口電路

　　系統功能及實現

　　本設計采用ADSP-21160完成伽瑪校正、時基校正、時鐘發生器、圖像優化和控制信號的產生等功能。

　　1.伽瑪校正原理

　　在LCD中，驅動IC/LSI的DAC圖像數據信號線性變化，而液晶的電光特性 是非線性，所以要調節對液晶所加的外加電壓，使其滿足液晶顯示亮度的線性，即伽瑪(γ)校正。γ校正是一個實現圖像能夠盡可能真 實地反映原物體或原圖像視覺信息的重要過程。利用查找表來補償液晶電光特性的γ校正方法能使液晶顯示系統具有理想的傳輸函數。未校正時液晶顯 示系統的輸入輸出曲線呈S形。伽瑪表的作用就是通過對ADC進來的信號進行反S形的非線性變換，最終使液晶顯示系統的輸入輸出曲線滿足實際要求。

　　LCD的γ校正圖形如圖3所示，左圖是LCD的電光特性曲線圖，右圖是LCD亮度特性曲線和電壓的模數轉換圖。

　　圖3 LCD的γ校正示意圖

　　2.伽瑪校正的實現

　　本文采用較科學的γ校正處理技術，對數字三基色視頻信號分別進行數字γ校正(也可以對模擬三基色視頻信號分別進行γ校正)。在完成γ校正的同時，并不損失灰度層次，使全彩色顯示屏圖像更鮮艷，更逼真，更清晰。

　　某 單色光γ調整過程如圖4所示，其他二色與此相同。以單色光γ調整為例：ADSP-21160 首先根據外部提供的一組控制信號，進行第一次查表，得到γ調整系數(γ值)。然后根據該γ值和輸入的顯示數據進行第 二次查表，得到經校正后的顯示數據。第一次查表的γ值是通過外部的控制信號輸入到控制模塊進行第一次查表得到的。8位顯示數據信號可查表數字 0～255種灰度級顯示數據(γ校正后)。

　　圖4 單色光γ調整的過程

　　· 圖像優化

　　為了提高圖像質量，ADSP-21160內部還設計了圖像效果優化及特技模塊，許多 在模擬處理中無法進行的工作可以在數字處理中進行，例如，二維數字濾波、輪廓校正、細節補償頻率微調、準確的彩色矩陣(線性矩陣電路)、黑斑校正、g校 正、孔闌校正、增益調整、黑電平控制及雜散光補償、對比度調節等，這些處理都提高了圖像質量。

　　數字特技是對視頻信號本身進行尺寸、位置變 化和亮、色信號變化的數字化處理，它能使圖像變成各種形狀，在屏幕上任意放縮、旋轉等，這些是模擬特技無法實現的。還可以設計濾波器來濾除一些干擾信號和 噪聲信號等，使圖像的清晰度更高，更好地再現原始圖像。所有的信號和數據都是存儲在DSP內部，由它內部產生的時鐘模塊和控制模塊實現的。

　　· 時基校正及系統控制

　　由于ADSP-21160內部各個模塊的功能和處理時間不同，各模塊之間 存在一定延時，故需要進行數字時基校正，使存儲器最終輸出的數據能嚴格對齊，而不會出現信息的重疊或不連續。數字時基校正主要用于校正視頻信號中的行、場 同步信號的時基誤差。首先，將被校正的信號以它的時基信號為基準寫入存儲器，然后，以TFT-LCD的時基信號為基準讀出，即可得到時基誤差較小的視頻信 號。同時它還附加了其他功能，可以對視頻信號的色度、亮度、飽和度進行調節，同時對行、場相位、負載波相位進行調節，并具有時鐘臺標的功能。

　　控 制模塊主要負責控制時序驅動邏輯電路以管理和操作各功能模塊，如顯示數據存儲器的管理和操作，負責將顯示數據和指令參數傳輸到位，負責將參數寄存器的內容 轉換成相應的顯示功能邏輯。內部的信號發生器產生控制信號及地址，根據水平和垂直顯示及消隱計數器的值產生控制信號。此外，它還可以接收外部控制信號，以 實現人機交互，從而使該電路的功能更加強大，更加靈活。

　　此外，ADSP21160的內部還設計了I2C總線控制模塊，模擬I2C總線的工作，為外部的具有I2C接口的器件提供SCLK(串行時鐘信號)和SDA(雙向串行數據信號)。模擬I2C工作狀態如圖5和圖6所示。

　　圖5 串行端口讀/寫時序

　　圖6串行接口-典型的字節傳送

　　系統軟件實現

　　在軟件設計如圖7所示，采用Matlab軟件計算出校正值，并以查找表的文件形式存儲，供時序的調用。系統上電開始，首先要完成ADSP- 21160的一系列寄存器的設置，以使DSP能正確有效地工作。當ADSP-21160接收到有效的視頻信號以后，根據外部控制信息確定γ 值。為適應不同TFT-LCD屏對視頻信號的顯示，系統可以通過調整γ值，以調節顯示效果到最佳。再如圖4所示，對先前預存的文件進行查表， 得到所需的矯正后的值，然后暫存等待下一步處理。系統還可以根據視頻信號特點和用戶需要完成一些圖像的優化和特技，如二維數字濾波、輪廓校正、增益調整、 對比度調節等。這些操作可由用戶需求選擇性使用。利用ADSP-21160還可以實現圖像翻轉、停滯等特技。最后進行數字時基校正，主要用于校正視頻信號 中的行、場同步信號的時基誤差，使存儲器最終輸出的數據能嚴格對齊，而不會出現信息的重疊或不連續。除了以上所述的主要功能以外，ADSP-21160還 根據時序控制信號，為灰度電壓產生電路和TFT-LCD屏提供必要的控制信號。另外，ADSP-21160還能設置驅動通用I/O腳配置的LED燈，顯示 系統工作狀態。

　　圖7 軟件流程圖

　　結束語

　　本文介紹了基于ADSP-21160的液晶驅動電路設計。該驅動電路能完成伽馬校正、圖像優化及時基校正等功能，并能提供具有足夠驅動能力的時序和 邏輯控制信號，能驅動大部分的TFT-LCD。用ADSP-21160設計驅動電路實時性好、通用性強、速度快且高效;而且還能在ADSP-21160中 嵌入其他功能模塊控制，增強系統的功能。這樣不僅充分利用了ADSP-21160資源，又節省了外部資源，簡化了硬件電路的設計。作者將SONY的 LCX029CPT顯示屏應用在本文所設計的驅動電路上，顯示出質量很高的圖像，因此該設計滿足驅動液晶顯示器的要求。