基于ARM+FPGA高分辨率液晶顯示系統的設計與實現

張占來，任紅光，季新明

(上海朗睿電子科技有限公司 鄭州研發中心，河南 鄭州450002)

傳統工業液晶顯示方案一般采用ARM結構[1]，即ARM響應用戶操作的同時又驅動液晶顯示屏，實現人機交互操作。隨著工業液晶顯示的不斷提高，高分辨率顯示屏應用于工業場合,傳統ARM方案驅動高分辨率顯示屏已力不從心，操作反應遲鈍、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結構驅動高分辨率液晶顯示設計方案。

1 方案設計及工作原理

圖1 方案框架結構

本文方案架構如圖1所示，主要分為ARM操作處理和FPGA接收顯示數據兩大部分，其核心是用FPGA取代ARM內部顯示緩沖區，提高ARM處理速度的同時，將ARM顯示數據寬度由16 bit提升到32 bit，從整體上提升工業液晶顯示器性能。

1.1 ARM操作處理

ARM操作處理結構如圖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,根據要求送出需要顯示的數據至FPGA。為達到高畫質、刷屏速度快的效果，NAND Flash及SDRAM采用32 bit數據寬度的設計，MCU內部處理使用32 bit模式，需要顯示的數據直接送出32 bit。

1.2 FPGA接收顯示數據

FPGA操作處理結構如圖3所示。FPGA主要完成以下任務：根據液晶顯示時序產生讀寫顯示控制部分；將接收的數據存儲到DDR中；從DDR中讀取需要顯示的數據，將需要顯示的數據轉換為LVDS信號格式，輸出驅動液晶顯示屏。

圖2 ARM操作處理結構

圖3 FPGA操作處理結構

1.2.1 讀寫顯示控制單元設計

根據液晶顯示時序設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、顯示數據 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動顯示屏。在行消隱期間將每行需要顯示的數據從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中數據存儲到DDR中。

圖4 液晶顯示屏時序(DE模式)

1.2.2 LVDS信號設計

LVDS信號中傳輸的數據是按照LVDS信號格式排列顯示的，LVDS信號設計就是將需要顯示的RGB888數據、DE使能信號和時鐘信號轉換為圖5所示的LVDS信號格式[3]。

圖5 LVDS信號格式(8 bit模式)

2 硬件設計

硬件設計主要分為ARM硬件設計模塊和FPGA硬件設計模塊。

2.1 ARM硬件設計

ARM硬件設計部分主要由ARM芯片1788、4片8bit 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，經過處理預先存儲到NAND Flash中；根據用戶需求再從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硬件設計模塊，進行下一步驅動顯示屏操作。

圖6 ARM硬件設計結構

2.2 FPGA硬件模塊設計

FPGA硬件設計模塊主要由一片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內部需要設計的硬件結構包括：接收LPC1788送出的需要顯示的數據;從MT46V32M16-5B中讀取顯示數據轉換至LVDS驅動顯示屏。

圖7 FPGA硬件設計結構

為方便處理，保證系統穩定可靠，FPGA芯片XC6SLX9內部時鐘資源分配如圖8所示。外部時鐘40MHz輸入到FPGA內部時鐘鎖相環,經設計分別輸出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信號產生模塊的同時，經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。

圖8 FPGA時鐘資源分配圖

3 系統方案設計和整體顯示效果測試

3.1 系統方案設計要點及解決方法

FPGA程序時序邏輯基于Xilinx ISE軟件提供的編程環境和相關資源[4],通過VHDL語言編寫完成。結合系統特點，在進行時序邏輯設計時需要解決以下問題。

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

(2)高分辨率顯示屏像素點一般在1 280×1 024以上，此類顯示屏要求驅動數據是奇偶列數據分離驅動，即雙路LVDS接口(見圖5)。因此在實現LVDS數據接口操作時，就需要將顯示的數據進行奇偶分離處理，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ARM送出奇地址數據的接收至DDR和奇地址顯示屏數據的讀取至讀奇FIFO；同時，另一端口負責偶地址的存取并最終至讀偶FIFO。在進行顯示時,采用雙路LVDS信號轉換方式,同時送出LVDS信號驅動液晶顯示屏。

3.2 系統方案硬件搭建

LCD液晶顯示屏采用三星公司的LTM170ET01。系統采用ARM底板+FPGA核心板組合的方式實現，ARM模塊電路板(底板)如圖 9所示，FPGA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實現人機交互，ARM將需要顯示的數據送至FPGA模塊；FPGA將接收到的數據根據需要通過LVDS接口送出至LCD液晶顯示屏。

圖9 ARM模塊電路板(底板)設計

圖10 FPGA模塊電路板(核心板)設計

3.3 顯示效果評測

傳統ARM顯示處理模式為 16 bit，即 RGB656結構。顯示屏接口數據為RGB888結構,就需要將RGB565結構通過高位補低位的方式擴展到RGB888模式。而本文設計的數據接口為32 bit，即 xRGB8888模式,實現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ARM方式既要響應用戶操作,又要驅動顯示屏,占用了ARM較多的資源。而本文采用ARM+FPGA結構,將顯示部分由FPGA完成,節省了ARM資源的同時,提高了ARM的響應速度。

為了節約成本,將LVDS信號接口放在FPGA內部實現，省掉外部專用LVDS接口轉換芯片，降低了產品硬件成本，提高了產品競爭力。

圖11 ARM+FPGA系統方案顯示效果

[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.