以ARM+FPGA結(jié)構(gòu)驅(qū)動高分辨率液晶顯示設(shè)計與效果測試 - 全文

摘 要： 結(jié)合ARM操作靈活和FPGA實時處理的優(yōu)點，提出采用ARM+FPGA結(jié)構(gòu)驅(qū)動高分辨率RGB888液晶顯示屏。ARM接口豐富、操作靈活可以滿足客戶操作方便的需求；FPGA模塊采用FPGA+DDR形式，數(shù)據(jù)存取速度達到400 MB/s可以滿足畫面刷新速度較快的需求；FPGA操作DDR方式采用雙端口64 bit模式,設(shè)計32 bit數(shù)據(jù)讀取寬度,實現(xiàn)RGB888數(shù)據(jù)無失真顯示。通過ARM處理器LPC1788和Xilinx公司XC6SLX9硬件平臺搭建形成產(chǎn)品,在很大程度上滿足了工業(yè)液晶顯示市場的需求。

傳統(tǒng)工業(yè)液晶顯示方案一般采用ARM結(jié)構(gòu)[1]，即ARM響應(yīng)用戶操作的同時又驅(qū)動液晶顯示屏，實現(xiàn)人機交互操作。隨著工業(yè)液晶顯示的不斷提高，高分辨率顯示屏應(yīng)用于工業(yè)場合,傳統(tǒng)ARM方案驅(qū)動高分辨率顯示屏已力不從心，操作反應(yīng)遲鈍、刷屏速度慢、顯示效果差等缺點暴露出來。為解決上述缺點，本文給出一種ARM+FPGA結(jié)構(gòu)驅(qū)動高分辨率液晶顯示設(shè)計方案。

1 方案設(shè)計及工作原理

本文方案架構(gòu)如圖1所示，主要分為ARM操作處理和FPGA接收顯示數(shù)據(jù)兩大部分，其核心是用FPGA取代ARM內(nèi)部顯示緩沖區(qū)，提高ARM處理速度的同時，將ARM顯示數(shù)據(jù)寬度由16 bit提升到32 bit，從整體上提升工業(yè)液晶顯示器性能。

1.1 ARM操作處理
ARM操作處理結(jié)構(gòu)如圖2所示。畫面信息通過人機交互接口和MCU下載到NAND Flash中,需要顯示時，MCU將畫面讀出,根據(jù)要求送出需要顯示的數(shù)據(jù)至FPGA。為達到高畫質(zhì)、刷屏速度快的效果，NAND Flash及SDRAM采用32 bit數(shù)據(jù)寬度的設(shè)計，MCU內(nèi)部處理使用32 bit模式，需要顯示的數(shù)據(jù)直接送出32 bit。

1.2 FPGA接收顯示數(shù)據(jù)
FPGA操作處理結(jié)構(gòu)如圖3所示。FPGA主要完成以下任務(wù)：根據(jù)液晶顯示時序產(chǎn)生讀寫顯示控制部分；將接收的數(shù)據(jù)存儲到DDR中；從DDR中讀取需要顯示的數(shù)據(jù)，將需要顯示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LVDS信號格式，輸出驅(qū)動液晶顯示屏。

1.2.1讀寫顯示控制單元設(shè)計
根據(jù)液晶顯示時序設(shè)計讀寫顯示控制單元。各種液晶顯示屏雖然時序有差異，但原理[2]相同,如圖4所示，包括顯示時鐘DCLK、顯示數(shù)據(jù)RGB_data、場頻Vs、行頻Hs、場消隱和行消隱，只要滿足以上條件即可驅(qū)動顯示屏。在行消隱期間將每行需要顯示的數(shù)據(jù)從DDR中讀取到讀FIFO中用于該行的顯示，完成每行的讀操作后將寫FIFO中數(shù)據(jù)存儲到DDR中。

1.2.2 LVDS信號設(shè)計
LVDS信號中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是按照LVDS信號格式排列顯示的，LVDS信號設(shè)計就是將需要顯示的RGB888數(shù)據(jù)、DE使能信號和時鐘信號轉(zhuǎn)換為圖5所示的LVDS信號格式[3]。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要分為ARM硬件設(shè)計模塊和FPGA硬件設(shè)計模塊。

2.1 ARM硬件設(shè)計
ARM硬件設(shè)計部分主要由ARM芯片1788、4片8 bit NAND Flash存儲芯片及兩片16 bit SDRAM組成，如圖6所示。LPC1788通過并口、串口或者USB接口接收畫面信息，經(jīng)過處理預(yù)先存儲到NAND Flash中；根據(jù)用戶需求再從NAND Flash中讀取將要顯示的畫面信息,同時配合SDRAM操作,將需要顯示的畫面送至FPGA硬件設(shè)計模塊，進行下一步驅(qū)動顯示屏操作。

2.2 FPGA硬件模塊設(shè)計
FPGA硬件設(shè)計模塊主要由一片Xilinx公司的XC6SLX9芯片和一片鎂光公司的MT46V32M16-5B組成，如圖7所示。在XC6SLX9內(nèi)部需要設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)包括:接收LPC1788送出的需要顯示的數(shù)據(jù);從MT46V32M16-5B中讀取顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至LVDS驅(qū)動顯示屏。

為方便處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，F(xiàn)PGA芯片XC6SLX9內(nèi)部時鐘資源分配如圖8所示。外部時鐘40 MHz輸入到FPGA內(nèi)部時鐘鎖相環(huán),經(jīng)設(shè)計分別輸出200 MHz至MT46V32M16-5B；80 MHz至DDR操作控制單元、寫FIFO的讀時鐘和讀FIFO的寫時鐘；400 MHz至LVDS信號產(chǎn)生模塊的同時，經(jīng)7分頻輸出57.14 MHz至讀FIFO中的讀時鐘。其中,寫FIFO的寫時鐘來自LPC1788的MCU_CLK。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計和整體顯示效果測試

3.1系統(tǒng)方案設(shè)計要點及解決方法
FPGA程序時序邏輯基于Xilinx ISE軟件提供的編程環(huán)境和相關(guān)資源[4],通過VHDL語言編寫完成。結(jié)合系統(tǒng)特點，在進行時序邏輯設(shè)計時需要解決以下問題。

(1)ARM送出的顯示數(shù)據(jù)是一種隨機位置的像素點，所以在存儲數(shù)據(jù)時只能是單個數(shù)據(jù)的存儲，不能批量操作，否則會導(dǎo)致存取速度降低。

(2)高分辨率顯示屏像素點一般在1 280×1 024以上，此類顯示屏要求驅(qū)動數(shù)據(jù)是奇偶列數(shù)據(jù)分離驅(qū)動，即雙路LVDS接口(見圖5)。因此在實現(xiàn)LVDS數(shù)據(jù)接口操作時，就需要將顯示的數(shù)據(jù)進行奇偶分離處理，同時送出至顯示屏。

為解決上述問題，本方案采用雙端口操作DDR控制器模塊,即其中一個端口負責(zé)ARM送出奇地址數(shù)據(jù)的接收至DDR和奇地址顯示屏數(shù)據(jù)的讀取至讀奇FIFO；同時，另一端口負責(zé)偶地址的存取并最終至讀偶FIFO。在進行顯示時,采用雙路LVDS信號轉(zhuǎn)換方式,同時送出LVDS信號驅(qū)動液晶顯示屏。

3.2 系統(tǒng)方案硬件搭建
LCD液晶顯示屏采用三星公司的LTM170ET01。系統(tǒng)采用ARM底板+FPGA核心板組合的方式實現(xiàn)，ARM模塊電路板(底板)如圖9所示，F(xiàn)PGA模塊電路板(核心板)如圖10所示。在圖9中，上位機通過USB接口或者串口與ARM實現(xiàn)人機交互，ARM將需要顯示的數(shù)據(jù)送至FPGA模塊；FPGA將接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)需要通過LVDS接口送出至LCD液晶顯示屏。

3.3顯示效果評測
傳統(tǒng)ARM顯示處理模式為16 bit，即RGB656結(jié)構(gòu)。顯示屏接口數(shù)據(jù)為RGB888結(jié)構(gòu),就需要將RGB565結(jié)構(gòu)通過高位補低位的方式擴展到RGB888模式。而本文設(shè)計的數(shù)據(jù)接口為32 bit，即xRGB8888模式,實現(xiàn)了與顯示屏接口的無損失對接,顯示全彩無失真,如圖11所示。

傳統(tǒng)ARM方式既要響應(yīng)用戶操作,又要驅(qū)動顯示屏,占用了ARM較多的資源。而本文采用ARM+FPGA結(jié)構(gòu),將顯示部分由FPGA完成,節(jié)省了ARM資源的同時,提高了ARM的響應(yīng)速度。

為了節(jié)約成本,將LVDS信號接口放在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，省掉外部專用LVDS接口轉(zhuǎn)換芯片，降低了產(chǎn)品硬件成本，提高了產(chǎn)品競爭力。

參考文獻

[1] NXP Semiconductors. LPC178x/7x.32-bit ARM Cortex-M3 microcontrolle r; up to 512 KB Flash and 96 KB SRAM; USB Device/Host/OTG;Ethernet;LCD;EMC.Rev.00.08.1.[Z]. 2011.
[2] Lux Display. AT070TN83 V.1[Z].
[3] Samaung Electronics.Samaung TFT-LCD.LTM-170ET01[Z].21.2009.
[4] Xilinx. Spartan-6 FPGA memory controller UG388(v2.3)[Z]. 2010.