基于S3C2440A终端LCD驱动电路的设计与实现 - 全文

 

　　引言

　　现在大部分的便携式手持终端产品，如移动电话、导航系统等，都拥有一个小型LCD显示屏，这使LCD驱动电路的设计成为手持终端设计的重要组成部分。

　　本文以应用于特殊行业的手持终端为例，叙述LCD驱动电路的设计实现方法。

　　硬件电路设计

　　硬件电路结构

　　本设计中手持终端CPU采用三星公司ARM920T内核处理器S3C2440A，其LCD控制器支持STN LCD和TFT LCD，实际使用的LCD为LTS350Q1-PE1_PI，属于TFT LCD。

　　电路框图如图1所示。

　　

 

　　驱动电路主要包括三部分：第一部分是LCD驱动，采用MAX1779芯片;第二部分是LED背光驱动，采用MP1521芯片;第三部分是VCOM信号驱动，采用LM8261芯片。这里主要叙述LCD驱动和背光电路的实现。

　　LCD驱动电路

　　由于LCD内集成有数字电路和模拟电路，需要外部提供数字电压DVDD和模拟电压AVDD。另外，为了完成数据扫描，需要TFT轮流开启/关闭。当TFT开启时，数据通过源极驱动器加载到显示电极，显示电极和公共电极间的电压差再作用于液晶实现显示，因此需要控制TFT的开启电压VGH、关闭电压VGL，以及加到公共电极上的电压VCOM。

　　MAX1779芯片能产生LCD需要的模拟电压AVDD、栅极开启电压VGH及栅极关断电压VGL。芯片内部集成有3个DC-DC转换器，其中包括两个充电泵和一个升压转换器，可以为小型TFT液晶屏提供高效的调节电压。LCD驱动电路如图2所示。

　　

 

　　这里，一个充电泵产生正电压，作为TFT的开启电压VGH;另外一个充电泵产生负电压，作为TFT的关闭电压VGL。此外，芯片还可以产生-5V电压输出，设计时利用-5V输出电压协助LM8261产生VCOM信号。

　　LED背光驱动电路

　　LCD作为一种被动显示器件本身并不能发光，必须要有背光模块提供光源。白光LED由于复杂程度较低、成本低且尺寸较小，被普遍用做嵌入式手持设备的LCD背光源。本文中背光驱动电路如图3所示。

　　

 

　　驱动芯片采用MP1521，该芯片有3组独立的电流反馈回路，可同时驱动3组并联的LED。现将3组反馈回路FB1、FB2、FB3短接，可以提供更大的驱动电流，用于驱动6个白色串联LED背光灯。

　　MP1521支持两种方式控制LED亮度，一是将BRT连接在范围为0.26V~1.2V的电压上，另外一种是通过PWM信号控制LED亮度。设计时，将其连接在PWM端口，使用PWM控制LCD背光亮度。

　　S3C2440A有5个16bit定时器，其中定时器0、1、2、3有PWM功能。将BRT连接到能够输出PWM信号的CPU的TOUT0/GPB0引脚，利用定时器0产生的PWM信号控制LCD亮度。通过改变PWM信号的占空比调整LED亮度，而通过设置CPU内部寄存器的值可以改变PWM的占空比。

　　为了节省功耗，电路的使能(EN)端接CPU的LCD_PWREN管脚，高电平时背光电路工作;低电平时背光电路不工作。同时，可将EN端通过电阻直接连接到3.3V电源上以便调试时使用。

　　LCD_BCK+和LCD_BCK-分别连接到串联LED的正负两端。

　　软件设计

　　手持终端的嵌入式Linux所采用的内核版本是kernel-2.4.18。 为了使LCD能正常显示，还需要在Linux系统下开发LCD的驱动程序。

　　字符设备的驱动程序

　　字符设备是Linux系统中最简单的设备，可以像文件一样访问。当字符设备初始化的时候，其驱动程序向Linux内核登记，在chrdevs向量表中增加一个device_struct数据结构条目。这个设备的主设备标识符用作这个向量表的索引。一个设备的主设备标识符是固定的。chrdevs向量表中的device_struct数据结构包括一个登记设备驱动程序名称的指针和一个指向一组文件操作的指针。这组文件操作本身位于这个设备的字符设备驱动程序中，并处理一些特定任务。

　　Linux下的帧缓冲设备

　　Linux操作系统为LCD等显示设备提供了帧缓冲区。帧缓冲区(Framebuffer)是Linux为显示设备提供的一个接口，是把显存抽象化后的一种设备。为LCD编写驱动程序的实质就是为帧缓冲区编写驱动程序。

　　由于帧缓冲驱动程序的实现在许多论文中有详细叙述，这里不再赘述，本文重点讨论背光设备驱动程序的实现。

　　LCD背光设备的驱动程序

　　LCD背光设备可看作字符设备，可以按照字符设备驱动程序的编写方法进行实现。在驱动程序里实现了LCD各种控制功能。驱动程序主要包括lcdctrl.c和lcdctrl_smdk2440.c。其中lcdctrl.c屏蔽了具体的硬件，它通过钩子函数调用lcdctrl_smdk2440.c相关函数完成各种具体操作。为了形象地说明两个文件之间的关系，这里以LCD亮度调节过程为例，说明函数的调用过程，如图4所示。

　　

 

　　lcdctrl.c中的lcdctrl_ioctl函数需根据上层应用程序的不同参数实现不同的功能，这些控制LCD的功能包括亮度调整、对比度调整、关闭LCD、开启LCD等。

　　下面分别叙述两个文件的实现。

　　lcdctrl.c文件

　　1、定义file_operation结构体

　　static struct file_operations lcdctrl_fops = {

　　ioctl: lcdctrl_ioctl,

　　open: lcdctrl_open,

　　release: lcdctrl_close };

　　LCD的各种控制功能在lcdctrl_ioctl函数中实现，lcdctrl_open和lcdctrl_close不实现具体功能，直接返回0值。

　　2、lcdctrl_ioctl函数

　　lcdctrl_ioctl函数需根据上层应用程序的不同参数实现不同的功能，这里主要说明亮度调节功能的实现。部分代码如下：

　　static int lcdctrl_ioctl(struct inode * inode, struct file *filp, unsigned int cmd , unsigned long arg)

　　{……

　　switch(cmd)

　　{ ……

　　case

　　_LCDCTRL_IOCTL_BRIGHTNESS:

　　if ((arg >=0) && (arg <= 100))

　　ret = lcdctrl_set_brightness(arg);

　　break; //调节LCD背光亮度

　　……

　　break;}

　　return ret;}

　　当应用程序传递的命令参数为LCDCTRL_IOCTL_BRIGHTNESS时，lcdctrl_ioctl调用lcdctrl_set_ brightness具体实现亮度调节功能。

　　3、lcdctrl_set_brightness函数

　　lcdctrl_set_brightness具体实现亮度调节功能。主要代码如下：

　　int lcdctrl_set_brightness(int b)

　　{

　　brightness = b;

　　return lcd_device->set_brightness(b);

　　}

　　可以看出，此函数调用lcd_ device->set_brightness函数，而lcd_device在初始化时已被指向与具体的硬件相关的函数。

　　4、初始化函数

　　初始化函数主要完成初始信息的设置和设备的注册。

　　lcdctrl.c_smdk2440文件

　　1、lcdctrl_device结构体

　　lcdctrl_device结构体定义了具体操作LCD的各函数指针，包括LCD初始化函数，LCD开启和关闭函数，亮度、对比度等设置函数。其中LCD关闭函数的本质就是将LCD背光亮度设置为0。

　　static struct lcdctrl_device smdk2440_dev = {

　　init: smdk2440_lcdctrl_init,

　　enable: smdk2440_lcdctrl_enable,

　　disable: smdk2440_lcdctrl_disable,

　　set_intensity: smdk2440_lcdctrl_set_intensity,

　　set_brightness: smdk2440_lcdctrl_set_brightness,

　　set_contrast: smdk2440_lcdctrl_set_contrast};

　　2、smdk2440_lcdctrl_set_brightnes函数

　　这里只叙述亮度设置函数的实现。

　　static int smdk2440_lcdctrl_set_brightness( int b)

　　{ ……

　　TCNTB0 = 100;

　　TCMPB0 = b*100/100;

　　//设置TCMPB0寄存器的值

　　TCON = (TCON & ~(0xf)) | ( TCON_0_AUTO | TCON_0_MAN | COUNT_0_OFF);

　　TCON = (TCON & ~(0xf)) | 0;

　　TCON=(TCON & ~(0xf)) | (TCON_0_AUTO | COUNT_0_ON);}

　　函数中的语句大部分是给与定时器相关的寄存器写值。其中b就是上层函数传递下来的bright值，从程序中可以看到，调节亮度本质上是通过TCMPB0寄存器写入与bright相关的值，控制PWM占空比实现亮度调节功能。

　　3、LCDctrl_device_get_ops函数

　　用于上层获取具体设备的钩子函数。代码如下：

　　struct lcdctrl_device *lcdctrl_device_get_ops(void)

　　{return &smdk2440_dev;}

　　此函数被lcdctrl.c初始化时调用，将设备指向smdk2440_dev。

　　至此，驱动程序设计完成，为了更好地实现LCD的管理，需要在上层的Qtopia应用程序中提供人机操作的界面。

　　Qtopia应用程序

　　Qtopia应用程序提供人机操作界面并调用底层驱动程序完成LCD控制功能，这里，仍然以亮度调节为例叙述应用程序工作过程。

　　主要完成功能：

　　1、应用程序完成人机操作的界面，为使用人员提供友好界面;

　　2、读取亮度值，并将其存入变量bright中;

　　3、打开设备文件：fd=open("/dev/devname",O_RDONLY);

　　4、调用底层的驱动程序，通过底层的驱动程序将LCD背光亮度调整为指定值。

　　ioctl(fd, _BACKLIGHT_ IOCTL_BRIGHT, bright)。

　　ioctl函数调用驱动程序完成亮度的调节。

　　结语

　　经测试，设计完成的LCD能很好地完成图形的显示，终端电源管理界面中包含了LCD亮度调节功能。

　　LCD驱动电路的设计是手持终端产品的重要组成部分。本文设计并实现了基于S3C2440A的手持终端LCD驱动电路。通过图形管理界面能够方便地管理LCD，达到节约能量、延长手持终端工作时间的目的。