基于ARM9和Linux的液晶驅(qū)動(dòng)終端設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　液晶驅(qū)動(dòng)終端是將液晶控制器、微控制器等集成在一起，并將液晶控制與圖形界面顯示等功能通過(guò)軟件封裝在一起，為用戶(hù)開(kāi)放操作接口、屏蔽液晶顯示器的控制細(xì)節(jié)，使用戶(hù)通過(guò)熟悉的接口（如RS232接口）發(fā)送預(yù)定義命令即可控制液晶顯示，進(jìn)行圖形界面開(kāi)發(fā)工作。

　　目前．已有的液晶驅(qū)動(dòng)終端主要采用微控制器與前、后臺(tái)軟件結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，該類(lèi)終端只能夠顯示字模方式的圖片．該種類(lèi)型的終端顯示數(shù)據(jù)存放在自帶的NANDFlash中， 在人機(jī)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)NAND Flash中的數(shù)據(jù)管理是以扇區(qū)為基本操作單元，圖片下載需要專(zhuān)用的軟件工具完成，增加了界面設(shè)計(jì)的邏輯復(fù)雜性與操作性。這里采用ARM9微控制器與 Linux操作系統(tǒng)結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出一種新型的液晶驅(qū)動(dòng)終端。該終端通過(guò)FAT文件系統(tǒng)管理CF卡中數(shù)據(jù)資源，利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)串口命令解析與圖型界面的顯示，不僅能夠顯示字模與圖片等數(shù)據(jù)資源，而且利用該設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)調(diào)用MiniGUI圖型庫(kù)等資源，適用于工業(yè)測(cè)控、智能儀表等領(lǐng)域的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

　　2 系統(tǒng)組成及工作原理

　　系統(tǒng)主要有ARM9微控制器、存儲(chǔ)單元、LCD控制器、CF卡接口與RS422通信接口組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。工作流程：系統(tǒng)上電后，ARM9微控制器從NOR Flash中讀取、解壓Linux內(nèi)核與Ramdisk根文件系統(tǒng)到SDRAM中，律壓完成后，啟動(dòng)Linux內(nèi)核并掛載根文件系統(tǒng)；當(dāng)軟件環(huán)境初始化完成后啟動(dòng)應(yīng)用程序，開(kāi)始接收串口命令，應(yīng)用程序接收到有效的串口命令后，圖形界面數(shù)據(jù)通過(guò)Fmmebuffer接口傳送給LCD控制器。

　　3 系統(tǒng)主要硬件模塊設(shè)計(jì)

　　3.1 ARM9微控制器

　　系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT91RM9200作為MCU，該處理器基于ARM920T內(nèi)核，工作主頻為180MHz，性能高達(dá)200MVVs。AT91RM9200包括一個(gè)高速片上SRAM工作區(qū)及一個(gè)低等待時(shí)間的外部總線接口（EBI），完成片外存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器映

　　射外設(shè)配置的無(wú)縫連接。EBI中設(shè)計(jì)專(zhuān)用電路以便SmartMedia、ComDact Flash及NAND F1ash連接。系統(tǒng)使用一片MT公司的28F128J3型16 MB NOR Flash，用于存儲(chǔ)Linux內(nèi)核與根文件系統(tǒng)，使用2片HY57V281620來(lái)組成32位SDRAM接口。

　　3.2 液晶驅(qū)動(dòng)接口

　　系統(tǒng)選用EPSON公司的顯示控制器件S1D13506用于控制LCD的圖像數(shù)據(jù)顯示。S1D13506可與多種CPU總線兼容，支持最高為 16位數(shù)據(jù)寬度的LCD接口．可以在TFTLCD、CRT最高顯示64 K顏色。它配置一個(gè)16位內(nèi)存接口，支持最高2 MB的EDO-DRAM。系統(tǒng)中將S1D13506連接在AT91RM9200的BANK 3，數(shù)據(jù)總線寬度為16位．地址線A21與S1D13506M／R引腳相連，用于選擇訪問(wèn)寄存器與顯存。AT91RM9200訪問(wèn)S1D13506顯存起始地址為0x30200000．寄存器起始地址為0x30000000。使用了GM71V18163型2MBDRAM作為顯示存儲(chǔ)，AT91RM9200 通過(guò)訪問(wèn)S1D13506數(shù)據(jù)地址空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)DRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作，使用50 MHz的有源晶振作為DRAM的總線時(shí)鐘，25 MHz有源晶振作為L(zhǎng)CD的像素時(shí)鐘信號(hào)，支持640x480 60 HzTFT LCD顯示，LCD行、場(chǎng)同步信號(hào)由S1D13506內(nèi)部通過(guò)對(duì)25 MHz像素時(shí)鐘分頻得出。LCD顯示控制硬件接口電路如圖2所示。

　　3.3 CF卡存儲(chǔ)接口

　　在圖形界面的設(shè)計(jì)中需要運(yùn)用到位圖、字庫(kù)等數(shù)據(jù)資源，系統(tǒng)通過(guò)FAT文件系統(tǒng)管理CF中數(shù)據(jù)，并且通過(guò)PC機(jī)將數(shù)據(jù)直接拷貝至CF卡。AT91RM9200與CF卡硬件接口連接如圖3所示。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 整體軟件架構(gòu)

　　系統(tǒng)軟件可以使用Linux、VxWorks等操作系統(tǒng)，也可使用從直接操作低層硬件的前、后臺(tái)軟件。使用前、后臺(tái)方式的軟件雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件的充分利用，但使用操作系統(tǒng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性與擴(kuò)展性。系統(tǒng)在運(yùn)行和使用過(guò)程中需要管理CF卡中的數(shù)據(jù)以及應(yīng)用程序需要多線程支持，眾多操作系統(tǒng)中，開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)具有較為完善的文件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族，并且能較好的支持多線程程序，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。該系統(tǒng)使用的Linux內(nèi)核版本為 2.4．2l，交叉編譯工具鏈為ARM-Linux-cross-2．95．3。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)中，無(wú)論應(yīng)用程序調(diào)用POSIX接口直接控制LCD顯示還是通過(guò)MiniGUI間接控制LCD，最終都要調(diào)用相應(yīng)的液晶控制器驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)，因此如何設(shè)計(jì)出一個(gè)S1D13506特殊硬件的驅(qū)動(dòng)程序是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　4.2 Framebuffer驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

　　Framebuffer是Linux內(nèi)核中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口．這種接El將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)。在應(yīng)用程序中．將其映射到進(jìn)程地址空間開(kāi)辟的存儲(chǔ)區(qū)域中，通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作可以直接的反映在LCD上。在Linux2．4版本的內(nèi)核中，F(xiàn)ramebuffer被抽象為 linux＼drivers＼vide0下的fbcon．c文件，其主要依靠fb_info、fb_var_screeninfo、 fb_fix_screeninfo3個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)定義在include／Linux／fb．h程序內(nèi)。S1D13506基于 Framebuffer的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要完成AT91RM9200 EBI總線的配置工作、S1D13506內(nèi)部寄存器的初始化及Frambuffer中預(yù)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的填充。系統(tǒng)中使用的驅(qū)動(dòng)程序是對(duì)EPSON公司 S1D13xxx系列顯示控制器件Linux驅(qū)動(dòng)程序修改完成。其初始化函數(shù)示意性代碼如下：

　　int sldl3506fb_init（）

　　{

　　init_9200_bank（）； ／／初使化AT9lRM9200EBI總線

　　fb_info．RegAddr=（unsigned char*）ioremap_nocache（Ox300000000，0x200000）；

　　fb_jnfo．VmemAddr=（unsigned char*）ioremap_nocache（0x30200000，Ox200000）；

　　//將S1D13506的寄存器與顯示存儲(chǔ)的線性地址空間保存到顯卡狀態(tài)結(jié)構(gòu)體

　　setsIdl3506_reg（）；//配置S1D13506顯卡寄存器，并填充顯卡狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　register_framebuffer（fb_info．gen．info）；||注豫framebuffer，初始化完成

　　}

　　將驅(qū)動(dòng)文件添加至Linux根目錄下的drivers＼vide0目錄中，并在當(dāng)前目錄下makefile文件中添加obi一$（CONFIG FBS1D13506）+=sldl3506fb．O，在Config．ini文件中添加boolSldl3506‘CONFIG_FB_EPSON，在 Linux移植過(guò)程中可將驅(qū)動(dòng)程序靜態(tài)編譯到內(nèi)核中。若要使MiniGUl支持Frame-buffer，需將MiniGUI．efg文件中GAL引擎設(shè)為Framebuffer，如gal_engine=fbcon

　　4.3 應(yīng)用程序

　　在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，使用多線程可更好的協(xié)調(diào)串口接收、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及超時(shí)處理等操作。終端中基于POSIX的應(yīng)用程序由圖形顯示與串口命令解析組成，由于Linux操作系統(tǒng)中不同的線程之間可通過(guò)全局變量傳遞參數(shù)，應(yīng)用程序中使用了一個(gè)全局的循環(huán)FIFO作為兩個(gè)線程之間的命令緩沖區(qū)，采用兩個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于存放串口傳來(lái)的圖像數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小與LCD分辨率和像素深度有關(guān)。命令循環(huán)FIFO管理結(jié)構(gòu)如下所示。

　　系統(tǒng)中，基于Framebuffer的設(shè)備被映射為／dev／fb0文件，應(yīng)用程序啟動(dòng)后，首先調(diào)用open（）函數(shù)打開(kāi)設(shè)備，然后調(diào)用 mmap（）函數(shù)將顯存影射到用戶(hù)空間開(kāi)辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，初始化命令緩沖隊(duì)列后，啟動(dòng)串口命令接收，接收到有效的串口命令后則執(zhí)行相應(yīng)的顯示操作。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　目前，該終端可成功驅(qū)動(dòng)SHARP LQ035Q3DG01、LQl04-V1DG21等多種分辨率18 bit接口LCD，并在某紡織廠的細(xì)紗機(jī)車(chē)速監(jiān)控儀中得到應(yīng)用。使用該終端可降低人機(jī)界面的設(shè)計(jì)難度，提高儀器儀表的開(kāi)發(fā)效率，并且可進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)視頻播放及網(wǎng)絡(luò)命令接口等功能，具有良好的市場(chǎng)前景和使用價(jià)值。