一种基于ARM9的彩色TFT－LCD模块设计及实现

     摘 要：介绍了一种基于ARM9的彩色薄膜晶体管液晶显示模块(TFT-LCD)的设计和实现方法。为了解决图像及字符在液晶模块上的实时显示，图像库及字符库存储在容量达64Mbyte的NAND Flash闪存中，可以根据不同需求对图像库及字符库进行更新。模块支持24bit彩色RGB格式图像的显示，还支持JPEG格式图像的显示，JPEG图像的解码功能在ARM9处理器上实现。模块采用串口方式与其他外接主控系统通信，通过接收主控系统的不同指令，可以实现对库中图像及字符显示的实时更改。在液晶屏LQ080V3DG01上已通过测试，运行可靠。该模块已实际应用于图像显示设备中。

　　1 引  言

　　TFT-LCD因其厚度薄且画面质量优异，可以实现信息的高速度、高亮度及高对比度显示，已广泛应用于图像显示系统中。虽然TFT-LCD具有良好的显示性能，但TFT-LCD的驱动信号非常复杂，同时外围的控制单元需要处理的数据量非常大，以一个分辨率为640×480的彩色TFT-LCD为例，显示一幅彩色图像就需要处理900kbyte的数据量，这对于传统的单片机等处理器显得无能为力。由于图像数据量大，目前图像大都采用压缩后再存储，其中JPEG (Joint PhotographicExperts Group)格式的压缩图像应用为广泛。

　　为了解决图像等大容量数据在TFT-LCD显示屏上的应用，本文提出了一种基于ARM9处理器S3C2440X的彩色液晶显示模块。模块能够实现对字符及彩色RGB格式图像的显示，同时还可以显示JPEG格式的图像。由于液晶显示屏只能接收RGB格式的图像数据，为了实现对JPEG格式的图像显示，必须对压缩图像进行解压缩，JPEG格式图像的解码功能在ARM9处理器上实现。本文提出的方法简化了彩色TFT-LCD图像显示的设计难度，同时为JPEG格式的解码及液晶显示提供了一种实现方法。液晶显示模块可以方便地与外接系统接口，实现图像显示模块的功能。

　　2 模块结构设计与分析

　　模块硬件包括4个部分：ARM9S3C2440X处理器、数据存储模块、液晶显示模块及RS232串口通信模块。模块中使用了两种非易失性闪存NAND Flash和NOR Flash。考虑到NOR Flash具有芯片内执行及可靠性高的特点，使用它来存储ARM9处理器运行的程序代码;存储容量大且高单元密度的NAND Flash用来存储海量数据，作为图像库及字符库的存储单元。SDRAM 作为外扩存储器使用。TFT-LCD LQ080V3DG01作为模块的显示屏使用。与其他外部模块通信采用RS232串口方式。

　　模块实现的主要功能有：JPEG 格式图像的解码;支持24bit彩色RGB图像数据及JPEG两种格式图像的显示;字符的显示;数据存储容量为64Mbyte，可以实现对图像库及字符库的更新;可以设置不同的串口波特率。模块功能框图如图1所示。

图1 模块功能框图。

　　2.1 ARM9嵌入式处理器S3C2440X

　　S3C2440X是一款基于ARM920T 内核、主频达400MHz、适用于嵌入式应用的RISC处理器。它支持可配置的8，16，32bit数据总线宽度。在存储器接口方面，多可以扩展6个通道的ROM 或RAM 存储器，以及2 个通道的SDRAM，同时它还支持NAND Flash、NORFlash存储器扩展。

　　它内部的ARM920T 内核具有高速微控制器总线(AMBA BUS)结构及哈佛结构的高速缓冲存储器(Cache)，高速缓冲分别是16kbyte程序及16kbyte数据存储器，使其具有良好的高速性能[3];具有丰富的外围设备，包括LCD控制器、UART、USB、SD 及SPI等接口，可以满足不同的设计要求。

　　2.1.1 LCD控制器

　　S3C2440X内部LCD控制器接口支持STNLCD及TFT-LCD的无缝连接，它支持单色、调色板彩色及24bit真彩色的显示。根据不同的设计要求，通过程序编程可以实现相应的LCD分辨率，数据格式及帧频等设置，从而满足各种类型的LCD模块。S3C2440XLCD控制器用来传输视频数据VD [23：0]，同时产生相应的控制信号VSYNC、HSYNC、VDEN及LEND，时序图如图1所示。实现LCD 控制器功能的关键是根据LCD时序的要求，合理配置控制器寄存器。

图2 TFT-LCD时序图。

　　图1中的信号定义如下：

　　VSYNC：LCD控制器和LCD之间的帧同步信号，高电平有效时表示一帧图像的起始。

　　HSYNC：行同步信号，由水平有效像素的大小决定。

　　VCLK：LCD时钟信号，在一个时钟周期内数据送入LCD移位寄存器内。

　　VDEN：数据使能信号，高电平表示数据有效。

　　LEND：行结束信号。

　　VD[23：0]：RGB数据信号线。对于24bitTFT-LCD，R、G、B各占8位;而对于16bit TFT屏有两种方式：5∶6∶5及5∶5∶5+1，使用时需要注意要与相应TFT-LCD的信号相一致。

　　2.1.2 数据存储模块

　　NAND Flash是一种固态内存，与EEPROM相比，具有读写速度快的优势;与SRAM 相比，具有非易失性等优势。图像尤其是彩色图像数据量大，因此需要考虑使用大容量的存储器来存储图像数据。另外，考虑到断电后数据的非易失性，因此选择NAND Flash作为存储器件。

　　数据存储单元NAND Flash包括图像库及字符库，其中字符库存储容量是8Mbyte，图像库存储容量是56Mbyte。模块选用NAND FlashK9F1216U0A作为图像的存储器件，它的容量大小为64M×8bit，其中每页是(512+16)byte，块大小是(16k+512)byte;随机读取一页数据的时间是12μs，而向NAND Flash写入一页数据的典型时间是200μs。以分辨率为640×480的RGB 彩色图像为例，图像数据大小是900byte，因此将此图像写入Flash的时间是341μs，然后将此图像从Flash读出的长时间是21μs。

　　以分辨率为640×480的RGB格式彩色图像为例，56Mbyte的图像存储容量可以存储62幅图像，完全可以满足大容量存储的要求。在存储图像数据的编程过程中，由于NAND Flash是以页为单元进行数据存储，这就意味着一幅图像需要占用多个页的存储空间。需要注意的是，由于NAND Flash器件存在坏块单元，而且坏块是随机分布的，因此需要对坏块进行标记处理，对它们标记为不可用，这样就避免了由于坏块单元引起的数据存储错误。

　　2.1.3 JPEG图像解码

　　JPEG是一种目前广泛使用的静态图像压缩标准，它以其显着的压缩效率和较低的图像质量损失获得了广泛应用，成为国际通用的标准。

　　JPEG的目的是提供一种使用于各种连续色调图像的压缩方法，并且能够易于硬件实现，具有良好的性价比。为了满足各种应用需求，它提供了两种压缩编码技术：基于离散余弦变换(DCT)的有损压缩编码和基于DPCM 的无损编码，这两种编码方式可以采用4种操作模式来实现：顺序编码、累进编码、无损编码及层次编码。其中基于DCT变换的顺序编码方式常用。

　　以基于离散余弦变换的顺序编码方式来说明JPEG图像解码的过程。图像解码是压缩编码的反过程，解码的码流起始位置标志信息，解码器根据JPEG压缩图像的文件头信息，得到原始图像的基本信息。得到原始图像信息后，解码器根据JPEG文件中的霍夫曼表进行解码。由于熵编码过程中使用霍夫曼编码分别对DC及AC系数进行编码，其中系数编码的顺序采用zig-zag序列，因此实现解码时需要考虑这些相关实现过程，详细信息请参考相关文献[5]。根据量化系数表，经霍夫曼解码后的系数与相应的量化值进行乘积，然后进行反余弦变换。需要注意的是，JPEG 图像使用的是YCrCb模型，其中Y 是亮度分量，Cr及Cb是色度分量，需要将系数的色彩空间从YCrCb转换到RGB空间，终得到图像的R、G、B 数据值，这些数据才可以在液晶显示屏上显示。

　　根据JPEG 文件交换格式提供的资料文献[6]，YCrCb色彩空间到RGB色彩空间的转换见公式(1)。

　　考虑到延时应尽量小，程序在NOR Flash存储器上执行效率低。图像解码算法中应合理安排在ARM9中的内存分配。设计过程中将频繁访问的程序代码及数据搬运到ARM9内部高速缓冲存储器中，从而提高编码的效率。由于顺序编码方式常用，它通常称为JPEG 基本系统(BaseLine)。设计过程中，实现的JPEG 图像解码支持顺序编码，完全可以满足应用要求。

　　2.2 TFT-LCD LQ080V3DG01

　　实验中选用LQ080V3DG01彩色液晶显示模块测试设计效果。LQ080V3DG01 由彩色TFT-LCD面板、驱动电路、控制电路、供电电路及背光单元组成。它支持分辨率为640×480的图形和文字显示，数据输入格式为18bit，其中红绿蓝各占6bit，提供的颜色共262 144种。

　　TFT-LCD需要+3。3V或+5V供电电压，背光需要交流电源供电。输入的控制信号有4个：帧同步信号VSYNC、行同步信号HSYNC、数据使能信号ENAB及时钟信号CK。数据线宽度是18bit，红绿蓝各占6bit，分别是R [0∶5]、G [0∶5]及B [0∶5]，颜色配置信息如表1所示。

表1 输入数据信号及颜色显示配置

　　LQ080V3DG01液晶显示屏的数据线共18bit，对于24bit的彩色图像以及24bit的ARM9S3C2440X的TFT-LCD控制器而言，其接口并不兼容。设计中为了适应LQ080V3DG01液晶显示屏的接口，分别舍弃了8bit R、G、B 值的低2位，测试结果显示效果良好。如果选用的TFTLCD是24bit数据线，则可以直接连接到LCD控制器相应的数据线。

　　3 模块设计方案的实现

　　3.1 工作流程

　　在ARM9执行初始化后，主程序就等待外部模块通过串口发送指令。外接模块通过RS232串口与本模块通信，根据通信协议发送不同的指令，实现相应的功能。在约定的串口波特率下，通信协议如下：显示图像时首先发送指令0x55，然后再发送图像在图像库中的编号;显示字符时首先发送指令0x56，然后再发送字符在字符库中的编号，发送字符在液晶屏上显示的横轴及纵轴坐标。需要说明的是，在NAND Flash存储空间中的图像库及字符库是自己定义的，可以重新更新。软件流程图如图3示。

图3 软件流程图

　　3.2 彩色图像显示

　　所设计的模块支持24bit彩色RGB及JPEG两种格式的图像显示。因为像素数据可以直接送到液晶接口控制模块显示，而JPEG格式的图像则必须经过解码之后才能显示，所以图像在显示前，需要先判断图像数据是什么格式。如果图像数据是JPEG格式，则必须经过图像解码，解码后得到原始彩色图像的像素数据值R、G、B，这些数据经过显示控制单元送到液晶屏显示。如果图像是原始图像的数据，则可以直接送到液晶控制模块进行显示。

　　由于要显示的图像存储在NAND Flash的图像库存储空间，所以在将彩色图像输出到TFT-LCD显示时，首先要将需要显示的图像数据从NAND Flash中读取出来，得到一幅24bit彩色图像的完整原始图像数据。原始图像数据中，一个像素占用3byte，其中R、G、B 各占1byte。将数据输出给TFT-LCD 显示前，需要根据LCD接收的数据格式将图像数据进行转换，然后才能输出显示，图像数据按照从上到下，自左向右的顺序输出[9]。同样，将TFT-LCD按照相同的顺序进行扫描，终完成整幅图像的显示。

　　NAND Flash存储着大量的图像数据，为了区分不同的图像数据，将相应的图像输出显示，模块采用RS232串口与外界通信。通过发送不同的指令，可以将在NAND Flash上存储的相应图像读取出来，输出在TFT-LCD上，终实现各种彩色图像的显示。

　　3.3 字符显示

　　字符采用16×16点阵，由于每个像素占用3byte，所以每个字符占用768byte。可以将常用字符存储在NAND Flash中，作为字符库使用，需要时调用即可。当显示字符时，首先要确认相应字符在存储器中的位置，然后根据地址信息对相应字符进行操作，根据字符要显示的位置在液晶屏上输出，实现字符在液晶屏上的显示。

　　实验过程中为字符库分配8Mbyte空间，可以存储10 922个字符。字符库还可以实现更新，只需将存储器NAND Flash对应地址空间的内容替换即可。

　　4 实验结果

　　为了测试模块的正确性，将一幅分辨率为640×480的图像"AutumnLeaves"到NANDFlash存储器中，它在图像库中的编号为0x01。

　　根据串口通信协议，向液晶显示模块发送指令0x55，然后再发送图像在图像库中的编号0x01。

　　显示模块接收到指令后，液晶屏显示效果如图4所示。测试结果表明，模块工作正常，发送显示其他图像及字符的指令同样效果良好，运行可靠，达到了模块方案设计要求。

图4 液晶屏显示图像测试结果。

　　5 结  论

　　提出了一种基于ARM9的24bit彩色TFTLCD液晶显示模块设计方案。图像及字符库存储在NAND Flash固态闪存中，保证了图像及字符的实时显示，同时还能实现对图像库及字符库的更新。提供了串口通信方式，可以方便地实现与其他外接系统交互。该模块设计简化了彩色TFT-LCD显示图像的设计难度，提高了开发效能。模块可以兼容不同类型的彩色TFT-LCD，为液晶显示模块的彩色图像显示提供了一种新的方法。