基于FPGA的彩色TFT-LCD控制電路設(shè)計(jì)及其ASIC實(shí)現(xiàn)

　　1引言

　　通過彩色液晶顯示器(LCD)取景是數(shù)碼相機(jī)優(yōu)于傳統(tǒng)相機(jī)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(jìn)行取景和回放是數(shù)碼相機(jī)兩大必不可少的功能。同時(shí)液晶顯示器還用來顯示菜單，提供良好的人機(jī)交互界面。目前市場上出售的數(shù)碼相機(jī)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?dāng)_的現(xiàn)象[2]，所以可用來顯示真正的活動(dòng)圖像。

　　數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片中的液晶顯示控制電路主要實(shí)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(shí)序信號(hào)，同時(shí)接受來自系統(tǒng)的YCbCr格式的圖像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)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(gè)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(shè)計(jì)要求

　　圖1給出了我們設(shè)計(jì)的數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)芯片中有關(guān)LCD顯示部分的示意圖。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)碼相機(jī)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)圖像。同時(shí)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(jìn)行編程控制。

　　3電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們先確定電路的總體框架，然后設(shè)計(jì)各個(gè)模塊并用Verilog HDL語言描述實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行RTL級的仿真。圖2是整個(gè)電路的功能框圖。

　　整個(gè)液晶顯示控制電路由四個(gè)模塊組成，分別是寄存器文件、有限狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)處理器和脈沖發(fā)生器。該電路的信號(hào)線主要和三個(gè)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(hào));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(gè)圖像顯示的時(shí)序信號(hào)和紅、綠、藍(lán)三原色數(shù)據(jù)以及PSAVE、BLANK和D_CLK三個(gè)控制DAC轉(zhuǎn)換的信號(hào);三是和數(shù)碼相機(jī)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(gè)DMA操作的交互信號(hào)和16位的YCbCr數(shù)據(jù)信號(hào)。SYSRST和SYSCLK分別是系統(tǒng)復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)。以下分別對各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，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(hào)，可以將圖像顯示在顯示器的任一區(qū)域，同時(shí)還具有軟件復(fù)位功能。整個(gè)寄存器陣列由 30個(gè)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(fù)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(fù)位端。在系統(tǒng)復(fù)位和顯示結(jié)束時(shí)該位為1，表示空閑并使接口處于復(fù)位狀態(tài)。若系統(tǒng)把該位置為0，則電路的復(fù)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(shí)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(yīng)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(shè)置顯示一幀圖像所需的垂直時(shí)鐘脈沖數(shù)和掃描一行圖像所需的水平時(shí)鐘脈沖數(shù)，對于不同規(guī)格和品牌的液晶顯示器這兩個(gè)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(shè)置顯示圖像的范圍，如圖4所示，這樣實(shí)現(xiàn)了可以將圖像顯示在顯示器任意區(qū)域的設(shè)計(jì)要求。由于TFT彩色液晶顯示器每個(gè)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(diǎn)上給出正確的原色數(shù)據(jù)信號(hào)，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(hào)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(shí)奇數(shù)行的顏色順序是RGB，偶數(shù)行顏色順序?yàn)镚BR，所以在設(shè)置起始行寄存器和起始列寄存器時(shí)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(shè)置了各驅(qū)動(dòng)脈沖波形的時(shí)間參數(shù)，若干個(gè)寄存器對應(yīng)于一相驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)有限狀態(tài)機(jī)模塊中的行計(jì)數(shù)器和列計(jì)數(shù)器的狀態(tài)與某些脈沖參數(shù)寄存器的設(shè)置相同時(shí)，相應(yīng)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。