基于嵌入式ARM的LCD图像显示系统设计

电子工程师 2019-02-05 638

音视频及家电

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描述

关键词： arm , LCD , 嵌入式 , 图像 , 显示系统

随着嵌入式技术迅猛发展和Linux在信息行业中广泛应用，利用嵌入式Linux系统实现图像采集处理已有可能。实时获得图像数据是实现这些应用的重要环节。本文使用的系统硬件平台采用Samsung公司的处理器S3C2410，并以此为基础，在基于嵌入式Linux系统平台上设计了建立图像视频的一种方法。

1 系统硬件电路设计

S3C2410芯片处理器内部集成了ARM公司ARM920T处理器核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16 kB的指令Cache和16 kB数据Cache、LCD(液晶显示器)控制器、RAM控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的定时器、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2个USB接口控制器、2路SPI，主频最高可达203 MHz。在处理器丰富资源的基础上，本平台配置了64 MB的Flash和64 MB、32位的SDRAM，以支持操作系统和液晶屏显示运算的需要。

基于嵌入式ARM的LCD图像显示系统设计

S3C2410内置有液晶屏控制器，可以支持最大256 k色TFT彩色液晶屏、最大4 k色STN彩色液晶屏。考虑到本系统的应用领域对图像显示的要求相对较高，故采用8英寸640×480 TFT液晶屏(型号为LQ080V3DG01)。LQ080V3DG01要求其电源电压Vdd典型值为3.3 V/5 V，并且LCD数据和控制信号的高电平输入电压Vih最小值为2.3 V，所以本系统直接使用S3C2410的控制口线与它相连，而没有设置电平转换电路。具体的电路连接如图1所示。芯片工作模式为16位色(5：6：5)。

2 系统软件设计

2.1 Linux操作系统

本视频显示系统的软件以嵌入式Linux为基础。Linux是免费运行、快速高效的操作系统。在过去的几年中，基于开源组织的Linux系统的嵌入式操作系统得到了长足的发展。Linux操作系统虽然不是微内核结构，但是其模块化的结构使得用户可以对其方便地进行配置，去除用户系统不需要的模块以减小系统的开销，可以做到几百k大小。综合考虑系统的功能和可扩展性以及系统的运行速度，本方案中的嵌入式Linux所采用的内核版本是kernel-2.4.18。

在向基于S3C2410的硬件平台上安装嵌入式Linux操作系统μCLinux后，为了使LCD能正常显示，还需要在μCLinux系统下开发LCD的驱动程序。

2．2 Framebuffer设备驱动

帧缓冲(Framebuffer)是出现在Linux2.2.xx内核中的一种驱动程序接口，该设备提供了LCD控制器的抽象描述。它同时代表了LCD控制器上的显存，应用程序通过定义好的接口可以访问LCD控制器，而不需要知道底层的任何操作。本系统通过帧缓冲实现LCD驱动程序的开发工作。

该设备使用特殊的设备节点，是一个字符设备，其主设备号是29，次设备号定义帧缓冲个数。从用户角度看，帧缓冲设备和其他位于/dev下面的设备类似。

帧缓冲的显示缓冲区位于μCLinux中核心态地址空间，而在μCLinux中，每个应用程序都有自己的虚拟地址空间，在应用程序中是不能直接访问物理缓冲区地址的。为此，μCLinux提供了mmap函数，可将文件的内容映射到应用程序空间。对于帧缓冲设备，则可通过映射操作，将屏幕缓冲区的物理地址映射到应用程序空间的一段虚拟地址中，之后就可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图。帧缓冲中内存块分布如图2所示。

基于嵌入式ARM的LCD图像显示系统设计

帧缓冲设备是一种普通的内存设备，支持直接读写其内容。支持使用read()，write()，seek()以及mmap()函数。不同之处是帧缓冲的内存不是所有内存区，而是LCD控制器专用的那部分内存。/dev/fb*允许使用ioctl操作，通过ioctl可以读取或设定设备参数。颜色映射表也通过ioctl设定。下面是ioctl和本系统相关的应用及相关数据结构部分：

a)获取设备一些不变的信息，如设备名，屏幕的组织对应内存区的长度和起始地址。
b)获取可以发生变化的信息，例如位深、颜色格式、时序等，如果改变这些值，驱动程序将对值进行优化，以满足设备特性。
c)获取或设定部分颜色表。

但在实际系统运用时，使用read、write函数在读或写之前持续地寻址将会导致很多开销。基本解决方法是映射屏幕内存。当屏幕内存被映射到应用程序时，将得到一个直接指向屏幕内存的指针。

在本系统和其他类似运用中，首先要从新得到的帧缓冲设备取回信息。帧缓冲设备在很大程度上依靠：Stnlct fb_var_screeninfo；Struct fb_fix_screeninfo；Struct fb_info这3个数据结构，它们在include/linux/fb.h中声明。第1个结构是用来描述图形卡的特性，通常由用户设置；第2个结构定义了图形卡的硬件特性，是不能改变的，在选定了LCD控制器和显示器后，它的硬件特性也就定下来了；第3个结构定义了当前图形卡帧缓冲设备的独立状态。

2．3 帧缓冲驱动程序的实现

与一般应用类似，在本系统实现中，应用程序主要通过下面3种方式实现内核对帧缓冲的控制。

a)读/写/dev/fb：相当于读/写屏幕缓冲区。
b)映射(map)操作：通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间的一段虚拟地址中，之后用户就可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图。
c)I/O控制：对于帧缓冲设备，设备文件的ioctl操作可读取显示设备及屏幕的参数，如分辨率、显示颜色数、屏幕大小等。ioctl操作是由底层的驱动程序来完成的。

因此，帧缓冲驱动要完成的工作还包括：分配显存的大小、初始化LCD控制寄存器、设置修改硬件设备相应的var信息和fix信息。
在μClinux中，由于帧缓冲设备是字符设备，应用程序需按文件的方式打开一个帧缓冲设备，对帧缓冲设备进行读、写等操作。在上文中已经介绍了帧缓冲设备的地址空间问题，对于操作系统来说，读、写帧缓冲设备就是对物理地址空间进行数据读写。所以，读写帧缓冲设备最主要就是获取帧缓冲设备在内存中的物理地址空间以及相应LCD的一些特性。

图3反映了应用程序如何写帧缓冲设备来显示图形的全过程。

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在了解了上面所述的概念后，编写帧缓冲驱动的实际工作并不复杂，针对本系统主要有以下工作。

a)编写初始化函数。初始化函数首先初始化LCD控制器，通过写寄存器设置显示模式和显示颜色数，然后分配LCD显示缓冲区。在Linux可通过kmal-loc函数分配一片连续的空间。本文采用的LCD显示方式为640×480，通过ARM芯片和TFT控制器硬件连接方式可知，其显示模式为16位，需要分配的显示缓冲区分别为640×480×16/8=600 kB。缓冲区通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制器寄存器中。最后是初始化一个fb_info结构，填充其中的成员变量，并调用register_Framebuffer(&fb_info)，将fb_info登记入内核。
b)编写结构fb_info中函数指针fb_ops对应的成员函数对于嵌入式系统的简单实现，设置了下列3个函数以满足要求：

基于嵌入式ARM的LCD图像显示系统设计

struct fb_ops在fb.h中定义。这些函数都是用来设置/获取fb_info结构中的成员变量的。当应用程序对设备文件进行ioctl操作时会调用它们，例如，对于fb_get_fix()，应用程序传人的是fb_fix_screen info结构，在函数中对其成员变量赋值，主要是smem-start(缓冲区起始地址)和smem-len(缓冲区长度)，最终返回给应用程序。而fb_set_var()函数的传人参数是fb_var_screen info，函数中需要对xres，yfes，和bits_per_pixel赋值。

赋值时需注意，根据本系统硬件特性，LCD的16位为(5：6：5)，亦即：红色5位(bits[11：15])，绿色6位(bits[5：10])，蓝色5位(bits[0：4])。也就是说，LCD最大支持32种红色、64种绿色、32种蓝色的混合显示。

至此，显示驱动开发工作已经基本告毕。以本系统为例，如要显示一个像素，只要通过如下步骤：

基于嵌入式ARM的LCD图像显示系统设计

由此便可以在LCD屏上逐一显示每个像素，进而显示整幅图像。

图4是在所建立系统的LCD屏上显示代表东南大学的"SEU"3个英文字母，其中"s"为纯红色(31，0，0)，"E"为纯绿色(0，63，0)，"U"为纯蓝色(0，0，31)，而底色为纯白色(31，63，31)。

基于嵌入式ARM的LCD图像显示系统设计

3 结束语

由于嵌入式系统能保证系统响应的实时性和运行的可靠性，目前广泛应用于各个领域。本文设计的图像显示系统可以作为安全监控、工业检测、远程操作等应用的基础。从开发实例表明，嵌入式Linux系统在图像采集及处理方面，不但在开发过程中简捷高效，而且在现场应用中也具有灵活多变的优势，在机器人监控系统、工控图像采集定位、远程教学等应用中有广阔的发展空间。

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