隨著信息技術的不斷發展，嵌入式系統正在越來越廣泛的應用到航空航天、消費類電子、通信設備等領域。而在嵌入式系統中，LCD作為人機交互的主要設備之一，顯示系統又是不可缺少的一部分。近年來，隨著微處理器性能的不斷提高，特別是ARM處理器系列的出現，嵌入式系統的功能也變得越來越強大。液晶顯示器由于具有功耗低、外形尺寸小、價格低、驅動電壓低等特點以及其優越的字符和圖形的顯示功能,已經成為嵌入式系統使用中的首選的輸出設備。隨著多媒體技術的發展，單色的LCD已不能滿足人們在各種多媒體應用方面的更高要求，彩色LCD正越來越廣泛地被應用到嵌入式系統中。觸摸屏是人們獲取信息的一種便利工具, 已廣泛應用于工商、稅務、銀行等各種需要對公眾提供信息服務的行業[1]。觸摸屏作為一種特殊的計算機外設，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備[2]。
S3C44B0X是三星公司生產的基于ARM7TDMI內核的RISC微處理器，主頻可達66MHz[3]。它集成了包括LCD控制器在內的等外圍器件。LM7M632是Sharp公司推出的分辨率為640×240的STN型彩色LCD顯示屏,支持256色顯示[4]。本文重點討論了S3C44B0X與LM7M632及ADS7843的接口設計以及LCD和觸摸屏的驅動過程。
1 S3C44B0X中內置LCD控制器介紹
S3C44B0X中內置的LCD控制器可以支持4級灰度、16級灰度的黑白LCD和256級顏色的彩色LCD屏；支持3種LCD驅動器：4位雙掃描，4位單掃描，8位單掃描顯示模式。內置的LCD控制器的作用是將定位在系統存儲器（SDRAM）中的顯示緩沖區中的LCD圖像數據傳送到外部LCD驅動器，并產生必須的LCD控制信號[5]。圖1為LCD控制器內部結構框圖。其中，VCLK是LCD控制器和LCD驅動器之間的像素時鐘信號；VLINE是LCD控制器和LCD 驅動器之間的行同步脈沖信號；VFRAME是LCD控制器和LCD驅動器之間的幀同步信號。VM是LCD驅動器的AC信號。VD[3∶0 ]和VD[ 7∶4 ] 是LCD像素點數據輸出端口。
圖1：LCD 控制器內部結構圖
2 LCD模塊及硬件接口
LM7M632是按照8位單掃描模式工作的。所謂8位單掃描方式，就是顯示采用8位并行數據線進行“行”數據連續移位輸出，直到整個幀的數據都被移出為止。LCD模塊接口信號線的定義如表1所示，圖2為LCD控制器與LCD的硬件接口的連接圖。在該顯示系統的硬件電路中，S3C44B0中的內置LCD控制器與LCD模塊LM7M632的連接是關鍵。圖3是LM7M632模塊接口時序圖。其中，YD是幀（寫滿整個屏的數據稱為1個“幀”）同步信號，該信號啟動LCD屏的新一幀的數據。兩個YD脈沖之間的時間長度就稱之為“幀周期”。根據LCD模塊的特性，幀刷新周期為12ms到14ms，頻率為70Hz～80Hz。每1幀中包含240個LP脈沖。LP為行（共240行）數據輸入鎖存信號，該信號啟動LCD屏新的一行的數據。也就是行同步脈沖信號。每1行中包括640×3/8個XCK脈沖信號。XCK為行數據輸入信號，也就是每一行中像素點數據傳輸的時鐘信號；每組8位的數據在XCK的下降沿處被輸入鎖存。D0~D7是8位的顯示數據輸入信號。
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引腳 |
引腳描述 |
引腳 |
引腳描述 |
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1 |
YD：掃描開始 |
8 |
VDD：logic供電（3.3V） |
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2 |
M：交變信號 |
9 |
Vcon：對比調節電壓 |
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3 |
LP：輸入鎖存 |
10 |
VSS：地 |
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4 |
VSS：地 |
11~14 |
D0~D3：數據線低四位 |
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5 |
XCK：時鐘 |
15 |
VSS：地 |
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6 |
VSS：地 |
16~19 |
D4~D7：數據線高四位 |
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7 |
DISP：顯示開關 |
20 |
VSS：地 |
表1：LCD模塊(LM7M632)接口信號線定義
圖3：LM7M632模塊接口時序圖
在該顯示系統中,其顯示方式是以直接操作顯示緩沖區（SDRAM）的內容進行,LCD控制器會通過DMA方式從顯示緩沖區中獲取數據,不需要CPU干預。在256色顯示模式下,顯示緩沖區中的一個字節數據代表LCD上的一個點的顏色信息,因此,所需要的緩沖區的大小為640 ×240 ×1 字節,其中每個字節的RGB數據格式為：由3位紅色(Bit7~Bit5)、3位綠色(Bit4~Bit2)、2位藍色 (Bit1~Bit0) 組成。
3 觸摸屏原理及硬件接口
觸摸屏按其工作原理的不同可分為表面聲波屏、電容屏、電阻屏和紅外屏幾種[6]。其中最常見的是電阻式觸摸屏，其屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復合薄膜。觸摸屏工作時，上下導體層相當于電阻網絡。當某一層電極加上電壓時，會在該網絡上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點接觸，則在另一層未加電壓的電極上可測得接觸點處的電壓，從而知道接觸點處的坐標。
ADS7843是TI公司生產的四線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750µW，而在關閉模式下的功耗僅為0.5µW。由于具有低功耗和高速等特性，所以被廣泛應用。圖4是S3C44B0同ADS7843的連接電路。X+、Y+、X- 、Y-是轉換器模擬輸入端，DCLK是外部時鐘輸入；CS 是片選端；DIN 是串行輸入，其控制數據通過該引腳輸入；DOUT是串行數據輸出，用于輸出轉換后的觸摸位置數據．最大數為二進制的4095； IN3、IN4是輔助輸入；PENIRQ是PEN中斷引腳。其中，S3C44B0選取PG口與ADS7843接口，共使用PG2 - PG7的6條口線。
4、彩色液晶顯示及觸摸屏軟件設計
4.1 LCD顯示
4.1.1 初始化LCD端口。
由于LCD模塊與S3C44B0相連，LCD是8位數據線，所以必須初始化S3C44B0X的C口與D口。其程序如下： rPDATC = rPDATC &～ (1 << 8) | (1 << 8)；/ / LCD使能
rPCONC = rPCONC &～ ( 0xff << 8) | ( 0xff <<8)；/ / 配置VD[7∶4 ]
rPCOND = 0xaaaa;/ /配置VD[3∶0 ]，VCLK，VLINE，VM，VFRAME
rPDATC=0xffff ；
4.1.2 申請大小為640×240字節大小的顯示緩沖區。
顯示緩沖區就是在系統存儲器中劃出一塊區域，用來存放要顯示的圖像數據。將要顯示的圖像數據直接放入顯示緩沖區就能直接在LCD顯示屏上顯示出所顯示的圖像。其程序如下：
frameBuffer256= (unsigned char*)malloc(ARRAY_SIZE_COLOR);其中ARRAY_SIZE_COLOR=640×240
4.1.3 初始化LCD控制寄存器
在點亮LCD之前，還應該對LCD控制器相關的寄存器進行初始化[6]，使LCD控制器的配置與外接LCD顯示模塊特性相匹配，包括設置LCD分辨率、掃描頻率、顯示模式、產生控制信號和控制時序等。
4.1.4 LCD顯示
LCD初始化之后，由于在S3C44B0X中，CUP不支持文件管理，必須把要顯示的圖片包含到程序中。例如，如果要在LCD顯示640×240大小的圖片，在實際操作中，首先應使用轉換工具（如：Image2Lcd）把圖片轉換成c格式的數組文件，即把每一個像素點的顏色轉換成用一個字節表示，然后把整個文件保存成240×640的數組形式。然后把文件包含在項目工程中，用循環語句即可實現顯示。如要顯示漢字、字符和數字等, 其方法和原理與顯示圖像基本一樣。
4.2 觸摸屏軟件設計
4.2.1觸摸屏模式設置
ADS7843的參考電壓模式設置分為兩種：單端模式和差分模式。在單端模式中，參考輸入電壓選取的是V cc 和GND ,由于內部的開關電阻壓降影響轉換結果帶來誤差,所以轉換器內部的低阻開關對轉換精度有一定影響；差分模式參考輸入由未選中的輸入通道Y + 、Y - 、 X + 、X - 提供參考電源和地，不管內部開關電阻如何變化,其轉換結果總與觸摸屏的電阻成比例,克服了內部開關電阻的影響,但當轉換頻率很高時則增加了功耗,需要考慮低功耗設計。
4.2.2 PENIRQ作用
由于觸摸屏A/D采樣時功耗增加，所以軟件設計中，只有在用戶按下觸摸屏時，才需要進行A/D轉換。為了降低功耗，充分利用該芯片的能力，配合軟件設計，硬件電路設計成按下觸摸屏時，通過PENIRQ 向MCU發出中斷。同時軟件配置ADS7843采用筆中斷功能降低功耗，當按下觸摸屏時，則PENIRQ引腳電位變低，MCU收到中斷請求后可以發出啟動轉換命令，并查詢BUSY引腳直到轉換完成取出坐標。啟動轉換分兩次進行，分別獲得x和y方向的坐標。
4.2.3 觸摸屏程序設計流程
充分權衡單端模式和差分模式的優缺點，本系統選擇參考電壓的輸入模式為差分模式，控制程序使用的狀態字[7]設置為：X通道0x90，Y通道0xD0。觸摸屏程序流程如圖5所示。程序中S3C44B0X的GPG7在下降沿觸發的情況下檢測PENIRQ是否為低電平，若為低電平則認為有按下觸摸屏；否則認為沒有按下觸摸屏。利用I/O口模擬DIN，DOUT和DCLK上的3線串行傳輸時將讀取的x或y軸坐標數值的控制字送入ADS7843，后再串行讀出坐標值。坐標值送給S3C44B0X，CPU經過處理后在LCD上顯示相應的信息并執行相應的參數指令，整個系統都是可以按照LCD上的提示，通過觸摸屏來控制，從而完成人機交互的功能。
5 結束語
在嵌入式系統中，LCD作為人機交互的主要設備之一，具有重要的作用。本文完成了S3C44B0X控制LCD及觸摸屏的軟硬件設計，實踐證明該系統穩定可靠, 能夠達到預期效果。本文為人機界面中的LCD的硬件設計與控制驅動提供了一種實用解決方案，本方案可應用于其它嵌入式系統中。
參考文獻
[1] 李力,黎敏等.一種基于MIS 的觸摸屏漢字輸入方法的設計[J].微機算機與信息，2006.23：98-91.
[2] 賴誠,觸摸屏原理及在單片機系統的應用[J]. 商場現代化, 2006年6月(下旬刊)總第471期
[3] Samsung Electronics User’s Manual S3C44B0X 32BitRISC Microprocessor [Z]. 2003.
[4] Sharp Microelectronic User’s Manual LM7M632 Passive Matrix LCD Module [Z]. 1998.
[5] 李巖,榮盤祥. 基于S3C44B0X嵌入式µCLinux系統原理及應用[M].北京，清華大學出版社，2005.1
[6] 陳賾.ARM嵌入式實踐教程[M].北京，北京航空航天大學出版社，2005.2. 149-150
[7] ADS7843 Datasheet[Z]. TI, JULY.2001