TFT-LCD驅(qū)動電路的設(shè)計

薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）具有重量輕、平板化、低功耗、無輻射、顯示品質(zhì)優(yōu)良等特點，其應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步擴(kuò)大，已經(jīng)從音像制品、筆記本電腦等顯示器發(fā)展到臺式計算機(jī)、工程工作站（EWS）用監(jiān)視器。對液晶顯示器的要求也正在向高分辨率、高彩色化發(fā)展。

由于CRT顯示器和液晶屏具有不同的顯示特性，兩者的顯示信號參數(shù)也不同，因此在計算機(jī)（或MCU）和液晶屏之間設(shè)計液晶顯示器的驅(qū)動電路是必需的，其主要功能是通過調(diào)制輸出到LCD電極上的電位信號、峰值、頻率等參數(shù)來建立交流驅(qū)動電場。

本文實現(xiàn)了將VGA接口信號轉(zhuǎn)換到模擬液晶屏上顯示的驅(qū)動電路，采用ADI公司的高性能DSP芯片ADSP-21160來實現(xiàn)驅(qū)動電路的主要功能。

硬件電路設(shè)計

AD9883A是高性能的三通道視頻ADC可以同時實現(xiàn)對RGB三色信號的實時采樣。系統(tǒng)采用32位浮點芯片ADSP-21160來處理數(shù)據(jù)，能實時完成伽瑪校正、時基校正、圖像優(yōu)化等處理，且滿足了系統(tǒng)的各項性能需求。ADSP-21160有6個獨立的高速8位并行鏈路口，分別連接ADSP-21160前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9883A和后端的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7125。ADSP-21160具有超級哈佛結(jié)構(gòu)，支持單指令多操作數(shù)（SIMD）模式，采用高效的匯編語言編程能實現(xiàn)對視頻信號的實時處理，不會因為處理數(shù)據(jù)時間長而出現(xiàn)延遲。

系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用不同的鏈路口完成輸入和輸出，可以避免采用總線可能產(chǎn)生的通道沖突。模擬視頻信號由AD9883A完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9883A是個三通道的ADC，因此系統(tǒng)可以完成單色的視頻信號處理，也可以完成彩色的視頻信號處理。采樣所得視頻數(shù)字信號經(jīng)鏈路口輸入到ADSP-21160，完成處理后由不同的鏈路口輸出到ADV7125，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADV7125是三通道的DAC，同樣也可以用于處理彩色信號。輸出視頻信號到灰度電壓產(chǎn)生電路，得到驅(qū)動液晶屏所需要的驅(qū)動電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標(biāo)志腳，可用于接受外部控制信號，給系統(tǒng)及其模塊發(fā)送控制信息，以使整個系統(tǒng)穩(wěn)定有序地工作。例如，ADSP-21160為灰度電壓產(chǎn)生電路和液晶屏提供必要的控制信號。另外，系統(tǒng)還設(shè)置了一些LED燈，用于直觀的指示系統(tǒng)硬件及DSP內(nèi)部程序各模塊的工作狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

本設(shè)計采用從閃存引導(dǎo)的方式加載DSP的程序文件，閃存具有很高的性價比，體積小，功耗低。由于本系統(tǒng)中的閃存既要存儲DSP程序，又要保存對應(yīng)于不同的伽瑪值的查找表數(shù)據(jù)以及部分預(yù)設(shè)的顯示數(shù)據(jù)，故選擇ST公司的容量較大的M29W641DL，既能保存程序代碼，又能保存必要的數(shù)據(jù)信息。

圖2為DSP與閃存的接口電路。因為采用8位閃存引導(dǎo)方式，所以ADSP-21160地址線應(yīng)使用A20～A0，數(shù)據(jù)線為D39～32，讀、寫和片選信號分別接到閃存相應(yīng)引腳上。

圖2 DSP和Flash的接口電路

系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

本設(shè)計采用ADSP-21160完成伽瑪校正、時基校正、時鐘發(fā)生器、圖像優(yōu)化和控制信號的產(chǎn)生等功能。

1. 伽瑪校正原理
   
   在LCD中，驅(qū)動IC/LSI的DAC圖像數(shù)據(jù)信號線性變化，而液晶的電光特性是非線性，所以要調(diào)節(jié)對液晶所加的外加電壓，使其滿足液晶顯示亮度的線性，即伽瑪（γ）校正。γ校正是一個實現(xiàn)圖像能夠盡可能真實地反映原物體或原圖像視覺信息的重要過程。利用查找表來補(bǔ)償液晶電光特性的γ校正方法能使液晶顯示系統(tǒng)具有理想的傳輸函數(shù)。未校正時液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線呈S形。伽瑪表的作用就是通過對ADC進(jìn)來的信號進(jìn)行反S形的非線性變換，最終使液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線滿足實際要求。
   
   LCD的γ校正圖形如圖3所示，左圖是LCD的電光特性曲線圖，右圖是LCD亮度特性曲線和電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換圖。
   
   
   
   圖3 LCD的γ校正示意圖
   
   
2. 伽瑪校正的實現(xiàn)
   
   本文采用較科學(xué)的γ校正處理技術(shù)，對數(shù)字三基色視頻信號分別進(jìn)行數(shù)字γ校正（也可以對模擬三基色視頻信號分別進(jìn)行γ校正）。在完成γ校正的同時，并不損失灰度層次，使全彩色顯示屏圖像更鮮艷，更逼真，更清晰。
   
   某單色光γ調(diào)整過程如圖4所示，其他二色與此相同。以單色光γ調(diào)整為例：ADSP-21160 首先根據(jù)外部提供的一組控制信號，進(jìn)行第一次查表，得到γ調(diào)整系數(shù)（γ值）。然后根據(jù)該γ值和輸入的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次查表，得到經(jīng)校正后的顯示數(shù)據(jù)。第一次查表的γ值是通過外部的控制信號輸入到控制模塊進(jìn)行第一次查表得到的。8位顯示數(shù)據(jù)信號可查表數(shù)字0～255種灰度級顯示數(shù)據(jù)（γ校正后）。
   
   
   
   圖4 單色光γ調(diào)整的過程
   
   
3. 圖像優(yōu)化
   
   為了提高圖像質(zhì)量，ADSP-21160內(nèi)部還設(shè)計了圖像效果優(yōu)化及特技模塊，許多在模擬處理中無法進(jìn)行的工作可以在數(shù)字處理中進(jìn)行，例如，二維數(shù)字濾波、輪廓校正、細(xì)節(jié)補(bǔ)償頻率微調(diào)、準(zhǔn)確的彩色矩陣（線性矩陣電路）、黑斑校正、g校正、孔闌校正、增益調(diào)整、黑電平控制及雜散光補(bǔ)償、對比度調(diào)節(jié)等，這些處理都提高了圖像質(zhì)量。
   
   數(shù)字特技是對視頻信號本身進(jìn)行尺寸、位置變化和亮、色信號變化的數(shù)字化處理，它能使圖像變成各種形狀，在屏幕上任意放縮、旋轉(zhuǎn)等，這些是模擬特技無法實現(xiàn)的。還可以設(shè)計濾波器來濾除一些干擾信號和噪聲信號等，使圖像的清晰度更高，更好地再現(xiàn)原始圖像。所有的信號和數(shù)據(jù)都是存儲在DSP內(nèi)部，由它內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘模塊和控制模塊實現(xiàn)的。
   
4. 時基校正及系統(tǒng)控制
   
   由于ADSP-21160內(nèi)部各個模塊的功能和處理時間不同，各模塊之間存在一定延時，故需要進(jìn)行數(shù)字時基校正，使存儲器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴(yán)格對齊，而不會出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。數(shù)字時基校正主要用于校正視頻信號中的行、場同步信號的時基誤差。首先，將被校正的信號以它的時基信號為基準(zhǔn)寫入存儲器，然后，以TFT-LCD的時基信號為基準(zhǔn)讀出，即可得到時基誤差較小的視頻信號。同時它還附加了其他功能，可以對視頻信號的色度、亮度、飽和度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時對行、場相位、負(fù)載波相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，并具有時鐘臺標(biāo)的功能。
   
   控制模塊主要負(fù)責(zé)控制時序驅(qū)動邏輯電路以管理和操作各功能模塊，如顯示數(shù)據(jù)存儲器的管理和操作，負(fù)責(zé)將顯示數(shù)據(jù)和指令參數(shù)傳輸?shù)轿?，?fù)責(zé)將參數(shù)寄存器的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的顯示功能邏輯。內(nèi)部的信號發(fā)生器產(chǎn)生控制信號及地址，根據(jù)水平和垂直顯示及消隱計數(shù)器的值產(chǎn)生控制信號。此外，它還可以接收外部控制信號，以實現(xiàn)人機(jī)交互，從而使該電路的功能更加強(qiáng)大，更加靈活。
   
   此外，ADSP21160的內(nèi)部還設(shè)計了I2C總線控制模塊，模擬I2C總線的工作，為外部的具有I2C接口的器件提供SCLK（串行時鐘信號）和SDA（雙向串行數(shù)據(jù)信號）。模擬I2C工作狀態(tài)如圖5和圖6所示。

圖5 串行端口讀/寫時序


圖6串行接口-典型的字節(jié)傳送

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

在軟件設(shè)計如圖7所示，采用Matlab軟件計算出校正值，并以查找表的文件形式存儲，供時序的調(diào)用。系統(tǒng)上電開始，首先要完成ADSP-21160的一系列寄存器的設(shè)置，以使DSP能正確有效地工作。當(dāng)ADSP-21160接收到有效的視頻信號以后，根據(jù)外部控制信息確定γ值。為適應(yīng)不同TFT-LCD屏對視頻信號的顯示，系統(tǒng)可以通過調(diào)整γ值，以調(diào)節(jié)顯示效果到最佳。再如圖4所示，對先前預(yù)存的文件進(jìn)行查表，得到所需的矯正后的值，然后暫存等待下一步處理。系統(tǒng)還可以根據(jù)視頻信號特點和用戶需要完成一些圖像的優(yōu)化和特技，如二維數(shù)字濾波、輪廓校正、增益調(diào)整、對比度調(diào)節(jié)等。這些操作可由用戶需求選擇性使用。利用ADSP-21160還可以實現(xiàn)圖像翻轉(zhuǎn)、停滯等特技。最后進(jìn)行數(shù)字時基校正，主要用于校正視頻信號中的行、場同步信號的時基誤差，使存儲器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴(yán)格對齊，而不會出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。除了以上所述的主要功能以外，ADSP-21160還根據(jù)時序控制信號，為灰度電壓產(chǎn)生電路和TFT-LCD屏提供必要的控制信號。另外，ADSP-21160還能設(shè)置驅(qū)動通用I/O腳配置的LED燈，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖7 軟件流程圖

結(jié)束語

本文介紹了基于ADSP-21160的液晶驅(qū)動電路設(shè)計。該驅(qū)動電路能完成伽馬校正、圖像優(yōu)化及時基校正等功能，并能提供具有足夠驅(qū)動能力的時序和邏輯控制信號，能驅(qū)動大部分的TFT-LCD。用ADSP-21160設(shè)計驅(qū)動電路實時性好、通用性強(qiáng)、速度快且高效；而且還能在ADSP-21160中嵌入其他功能模塊控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能。這樣不僅充分利用了ADSP-21160資源，又節(jié)省了外部資源，簡化了硬件電路的設(shè)計。作者將SONY的LCX029CPT顯示屏應(yīng)用在本文所設(shè)計的驅(qū)動電路上，顯示出質(zhì)量很高的圖像，因此該設(shè)計滿足驅(qū)動液晶顯示器的要求。