1 引 言
TFT-LCD因其厚度薄且畫面質量優(yōu)異，可以實現信息的高速度、高亮度及高對比度顯示，已廣泛應用于圖像顯示系統(tǒng)中。雖然TFT-LCD具有良好的顯示性能，但TFT-LCD的驅動信號非常復雜，同時外圍的控制單元需要處理的數據量非常大，以一個分辨率為640×480的彩色TFT-LCD為例，顯示一幅彩色圖像就需要處理900kbyte的數據量，這對于傳統(tǒng)的單片機等處理器顯得無能為力。由于圖像數據量大，目前圖像大都采用壓縮后再存儲，其中JPEG (Joint PhotographicExperts Group)格式的壓縮圖像應用最為廣泛。
為了解決圖像等大容量數據在TFT-LCD顯示屏上的應用，本文提出了一種基于ARM9處理器S3C2440X的彩色液晶顯示模塊。模塊能夠實現對字符及彩色RGB格式圖像的顯示，同時還可以顯示JPEG格式的圖像。由于液晶顯示屏只能接收RGB格式的圖像數據，為了實現對JPEG格式的圖像顯示，必須對壓縮圖像進行解壓縮，JPEG格式圖像的解碼功能在ARM9處理器上實現。本文提出的方法簡化了彩色TFT-LCD圖像顯示的設計難度，同時為JPEG格式的解碼及液晶顯示提供了一種實現方法。液晶顯示模塊可以方便地與外接系統(tǒng)接口，實現圖像顯示模塊的功能。
2 模塊結構設計與分析
模塊硬件包括4個部分：ARM9S3C2440X處理器、數據存儲模塊、液晶顯示模塊及RS232串口通信模塊。模塊中使用了兩種非易失性閃存NAND Flash和NOR Flash。考慮到NOR Flash具有芯片內執(zhí)行及可靠性高的特點，使用它來存儲ARM9處理器運行的程序代碼;存儲容量大且高單元密度的NAND Flash用來存儲海量數據，作為圖像庫及字符庫的存儲單元。SDRAM 作為外擴存儲器使用。TFT-LCD LQ080V3DG01作為模塊的顯示屏使用。與其他外部模塊通信采用RS232串口方式。
模塊實現的主要功能有：JPEG 格式圖像的解碼;支持24bit彩色RGB圖像數據及JPEG兩種格式圖像的顯示;字符的顯示;數據存儲容量為64Mbyte，可以實現對圖像庫及字符庫的更新;可以設置不同的串口波特率。模塊功能框圖如圖1所示。
圖1 模塊功能框圖。
2.1 ARM9嵌入式處理器S3C2440X
S3C2440X是一款基于ARM920T 內核、主頻最高達400MHz、適用于嵌入式應用的RISC處理器。它支持可配置的8，16，32bit數據總線寬度。在存儲器接口方面，最多可以擴展6個通道的ROM 或RAM 存儲器，以及2 個通道的SDRAM，同時它還支持NAND Flash、NORFlash存儲器擴展。
它內部的ARM920T 內核具有高速微控制器總線(AMBA BUS)結構及哈佛結構的高速緩沖存儲器(Cache)，高速緩沖分別是16kbyte程序及16kbyte數據存儲器，使其具有良好的高速性能[3];具有豐富的外圍設備，包括LCD控制器、UART、USB、SD 及SPI等接口，可以滿足不同的設計要求。
2.1.1 LCD控制器
S3C2440X內部LCD控制器接口支持STNLCD及TFT-LCD的無縫連接，它支持單色、調色板彩色及24bit真彩色的顯示。根據不同的設計要求，通過程序編程可以實現相應的LCD分辨率，數據格式及幀頻等設置，從而滿足各種類型的LCD模塊。S3C2440XLCD控制器用來傳輸視頻數據VD [23：0]，同時產生相應的控制信號VSYNC、HSYNC、VDEN及LEND，時序圖如圖1所示。實現LCD 控制器功能的關鍵是根據LCD時序的要求，合理配置控制器寄存器。
圖2 TFT-LCD時序圖。
圖1中的信號定義如下：
VSYNC：LCD控制器和LCD之間的幀同步信號，高電平有效時表示一幀圖像的起始。
HSYNC：行同步信號，由水平有效像素的大小決定。
VCLK：LCD時鐘信號，在一個時鐘周期內數據送入LCD移位寄存器內。
VDEN：數據使能信號，高電平表示數據有效。
LEND：行結束信號。
VD[23：0]：RGB數據信號線。對于24bitTFT-LCD，R、G、B各占8位;而對于16bit TFT屏有兩種方式：5∶6∶5及5∶5∶5+1，使用時需要注意要與相應TFT-LCD的信號相一致。
2.1.2 數據存儲模塊
NAND Flash是一種固態(tài)內存，與EEPROM相比，具有讀寫速度快的優(yōu)勢;與SRAM 相比，具有非易失性等優(yōu)勢。圖像尤其是彩色圖像數據量大，因此需要考慮使用大容量的存儲器來存儲圖像數據。另外，考慮到斷電后數據的非易失性，因此選擇NAND Flash作為存儲器件。
數據存儲單元NAND Flash包括圖像庫及字符庫，其中字符庫存儲容量是8Mbyte，圖像庫存儲容量是56Mbyte。模塊選用NAND FlashK9F1216U0A作為圖像的存儲器件，它的容量大小為64M×8bit，其中每頁是(512+16)byte，塊大小是(16k+512)byte;隨機讀取一頁數據的最大時間是12μs，而向NAND Flash寫入一頁數據的典型時間是200μs。以分辨率為640×480的RGB 彩色圖像為例，圖像數據大小是900byte，因此將此圖像寫入Flash的最大時間是341μs，然后將此圖像從Flash讀出的最長時間是21μs。
以分辨率為640×480的RGB格式彩色圖像為例，56Mbyte的圖像存儲容量可以存儲62幅圖像，完全可以滿足大容量存儲的要求。在存儲圖像數據的編程過程中，由于NAND Flash是以頁為單元進行數據存儲，這就意味著一幅圖像需要占用多個頁的存儲空間。需要注意的是，由于NAND Flash器件存在壞塊單元，而且壞塊是隨機分布的，因此需要對壞塊進行標記處理，對它們標記為不可用，這樣就避免了由于壞塊單元引起的數據存儲錯誤。
2.1.3 JPEG圖像解碼
JPEG是一種目前廣泛使用的靜態(tài)圖像壓縮標準，它以其顯著的壓縮效率和較低的圖像質量損失獲得了廣泛應用，成為國際通用的標準。
JPEG的目的是提供一種使用于各種連續(xù)色調圖像的壓縮方法，并且能夠易于硬件實現，具有良好的性價比。為了滿足各種應用需求，它提供了兩種壓縮編碼技術：基于離散余弦變換(DCT)的有損壓縮編碼和基于DPCM 的無損編碼，這兩種編碼方式可以采用4種操作模式來實現：順序編碼、累進編碼、無損編碼及層次編碼。其中基于DCT變換的順序編碼方式最常用。
以基于離散余弦變換的順序編碼方式來說明JPEG圖像解碼的過程。圖像解碼是壓縮編碼的反過程，解碼的碼流起始位置標志信息，解碼器根據JPEG壓縮圖像的文件頭信息，得到原始圖像的基本信息。得到原始圖像信息后，解碼器根據JPEG文件中的霍夫曼表進行解碼。由于熵編碼過程中使用霍夫曼編碼分別對DC及AC系數進行編碼，其中系數編碼的順序采用zig-zag序列，因此實現解碼時需要考慮這些相關實現過程，詳細信息請參考相關文獻[5]。根據量化系數表，經霍夫曼解碼后的系數與相應的量化值進行乘積，然后進行反余弦變換。需要注意的是，JPEG 圖像使用的是YCrCb模型，其中Y 是亮度分量，Cr及Cb是色度分量，需要將系數的色彩空間從YCrCb轉換到RGB空間，最終得到圖像的R、G、B 數據值，這些數據才可以在液晶顯示屏上顯示。
根據JPEG 文件交換格式提供的資料文獻[6]，YCrCb色彩空間到RGB色彩空間的轉換見公式(1)。
考慮到延時應盡量小，程序在NOR Flash存儲器上執(zhí)行效率低。圖像解碼算法中應合理安排在ARM9中的內存分配。設計過程中將頻繁訪問的程序代碼及數據搬運到ARM9內部高速緩沖存儲器中，從而提高編碼的效率。由于順序編碼方式最常用，它通常稱為JPEG 基本系統(tǒng)(BaseLine)。設計過程中，實現的JPEG 圖像解碼支持順序編碼，完全可以滿足應用要求。
2.2 TFT-LCD LQ080V3DG01
實驗中選用LQ080V3DG01彩色液晶顯示模塊測試設計效果。LQ080V3DG01 由彩色TFT-LCD面板、驅動電路、控制電路、供電電路及背光單元組成。它支持最大分辨率為640×480的圖形和文字顯示，數據輸入格式為18bit，其中紅綠藍各占6bit，提供的顏色共262 144種。
TFT-LCD需要+3。3V或+5V供電電壓，背光需要交流電源供電。輸入的控制信號有4個：幀同步信號VSYNC、行同步信號HSYNC、數據使能信號ENAB及時鐘信號CK。數據線寬度是18bit，紅綠藍各占6bit，分別是R [0∶5]、G [0∶5]及B [0∶5]，顏色配置信息如表1所示。
表1 輸入數據信號及顏色顯示配置
LQ080V3DG01液晶顯示屏的數據線共18bit，對于24bit的彩色圖像以及24bit的ARM9S3C2440X的TFT-LCD控制器而言，其接口并不兼容。設計中為了適應LQ080V3DG01液晶顯示屏的接口，分別舍棄了8bit R、G、B 值的低2位，測試結果顯示效果良好。如果選用的TFTLCD是24bit數據線，則可以直接連接到LCD控制器相應的數據線。
3 模塊設計方案的實現
3.1 工作流程
在ARM9執(zhí)行初始化后，主程序就等待外部模塊通過串口發(fā)送指令。外接模塊通過RS232串口與本模塊通信，根據通信協(xié)議發(fā)送不同的指令，實現相應的功能。在約定的串口波特率下，通信協(xié)議如下：顯示圖像時首先發(fā)送指令0x55，然后再發(fā)送圖像在圖像庫中的編號;顯示字符時首先發(fā)送指令0x56，然后再發(fā)送字符在字符庫中的編號，最后發(fā)送字符在液晶屏上顯示的橫軸及縱軸坐標。需要說明的是，在NAND Flash存儲空間中的圖像庫及字符庫是自己定義的，可以重新下載更新。軟件流程圖如圖3示。
圖3 軟件流程圖
3.2 彩色圖像顯示
所設計的模塊支持24bit彩色RGB及JPEG兩種格式的圖像顯示。因為像素數據可以直接送到液晶接口控制模塊顯示，而JPEG格式的圖像則必須經過解碼之后才能顯示，所以圖像在顯示前，需要先判斷圖像數據是什么格式。如果圖像數據是JPEG格式，則必須經過圖像解碼，解碼后得到原始彩色圖像的像素數據值R、G、B，這些數據經過顯示控制單元送到液晶屏顯示。如果圖像是原始圖像的數據，則可以直接送到液晶控制模塊進行顯示。
由于要顯示的圖像存儲在NAND Flash的圖像庫存儲空間，所以在將彩色圖像輸出到TFT-LCD顯示時，首先要將需要顯示的圖像數據從NAND Flash中讀取出來，得到一幅24bit彩色圖像的完整原始圖像數據。原始圖像數據中，一個像素占用3byte，其中R、G、B 各占1byte。將數據輸出給TFT-LCD 顯示前，需要根據LCD接收的數據格式將圖像數據進行轉換，然后才能輸出顯示，圖像數據按照從上到下，自左向右的順序輸出[9]。同樣，將TFT-LCD按照相同的順序進行掃描，最終完成整幅圖像的顯示。
NAND Flash存儲著大量的圖像數據，為了區(qū)分不同的圖像數據，將相應的圖像輸出顯示，模塊采用RS232串口與外界通信。通過發(fā)送不同的指令，可以將在NAND Flash上存儲的相應圖像讀取出來，輸出在TFT-LCD上，最終實現各種彩色圖像的顯示。
3.3 字符顯示
字符采用16×16點陣，由于每個像素占用3byte，所以每個字符占用768byte。可以將常用字符存儲在NAND Flash中，作為字符庫使用，需要時調用即可。當顯示字符時，首先要確認相應字符在存儲器中的位置，然后根據地址信息對相應字符進行操作，最后根據字符要顯示的位置在液晶屏上輸出，實現字符在液晶屏上的顯示。
實驗過程中為字符庫分配8Mbyte空間，可以存儲10 922個字符。字符庫還可以實現更新，只需將存儲器NAND Flash對應地址空間的內容替換即可。
4 實驗結果
為了測試模塊的正確性，將一幅分辨率為640×480的圖像"AutumnLeaves"下載到NANDFlash存儲器中，它在圖像庫中的編號為0x01。
根據串口通信協(xié)議，向液晶顯示模塊發(fā)送指令0x55，然后再發(fā)送圖像在圖像庫中的編號0x01。
顯示模塊接收到指令后，液晶屏顯示效果如圖4所示。測試結果表明，模塊工作正常，發(fā)送顯示其他圖像及字符的指令同樣效果良好，運行可靠，達到了模塊方案設計要求。
圖4 液晶屏顯示圖像測試結果。
5 結 論
提出了一種基于ARM9的24bit彩色TFTLCD液晶顯示模塊設計方案。圖像及字符庫存儲在NAND Flash固態(tài)閃存中，保證了圖像及字符的實時顯示，同時還能實現對圖像庫及字符庫的更新。提供了串口通信方式，可以方便地實現與其他外接系統(tǒng)交互。該模塊設計簡化了彩色TFT-LCD顯示圖像的設計難度，提高了開發(fā)效能。模塊可以兼容不同類型的彩色TFT-LCD，為液晶顯示模塊的彩色圖像顯示提供了一種新的方法。