基于ARM9＆Linux的液晶驱动终端设计 人机界面, 控制器, Linux, Flash, 图片

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1 引言
液晶驱动终端是将液晶控制器、微控制器等集成在一起.并将液晶控制与图形界面显示等功能通过软件封装在一起.为用户开放操作接口、屏蔽液晶显示器的控制细节，使用户通过熟悉的接口(如RS232接口)发送预定义命令即可控制液晶显示，进行图形界面开发工作。
目前.已有的液晶驱动终端主要采用微控制器与前、后台软件结合的方法进行设计，该类终端只能够显示字模方式的图片.该种类型的终端显示数据存放在自带的NANDFlash中,在人机界面设计过程中对NAND Flash中的数据管理是以扇区为基本操作单元，图片下载需要专用的软件工具完成,增加了界面设计的逻辑复杂性与操作性。这里采用ARM9微控制器与 Linux操作系统结合的方法，设计出一种新型的液晶驱动终端。该终端通过FAT文件系统管理CF卡中数据资源，利用多线程技术实现串口命令解析与图型界面的显示,不仅能够显示字模与图片等数据资源，而且利用该设计方法可以实现调用MiniGUI图型库等资源，适用于工业测控、智能仪表等领域的人机界面设计。
2 系统组成及工作原理
系统主要有ARM9微控制器、存储单元、LCD控制器、CF卡接口与RS422通信接口组成，系统组成框图如图l所示。工作流程：系统上电后，ARM9微控制器从NOR Flash中读取、解压Linux内核与Ramdisk根文件系统到SDRAM中，律压完成后，启动Linux内核并挂载根文件系统;当软件环境初始化完成后启动应用程序，开始接收串口命令，应用程序接收到有效的串口命令后，图形界面数据通过Fmmebuffer接口传送给LCD控制器。


3 系统主要硬件模块设计
3.1 ARM9微控制器
系统采用ATMEL公司的AT91RM9200作为MCU，该处理器基于ARM920T内核，工作主频为180MHz，性能高达 200MVVs。AT91RM9200包括一个高速片上SRAM工作区及一个低等待时间的外部总线接口(EBI)，完成片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连接。EBI中设计专用电路以便SmartMedia、ComDACt Flash及NAND F1ash连接。系统使用一片MT公司的28F128J3型16 MB NOR Flash，用于存储Linux内核与根文件系统，使用2片HY57V281620来组成32位SDRAM接口。
3.2 液晶驱动接口
系统选用EPSON公司的显示控制器件S1D13506用于控制LCD的图像数据显示。S1D13506可与多种CPU总线兼容，支持最高为 16位数据宽度的LCD接口.可以在TFTLCD、CRT最高显示64 K颜色。它配置一个16位内存接口，支持最高2 MB的EDO-DRAM。系统中将S1D13506连接在AT91RM9200的BANK 3，数据总线宽度为16位.地址线A21与S1D13506M/R引脚相连，用于选择访问寄存器与显存。AT91RM9200访问S1D13506显存起始地址为0x30200000.寄存器起始地址为0x30000000。使用了GM71V18163型2MBDRAM作为显示存储，AT91RM9200 通过访问S1D13506数据地址空间，实现对DRAM的数据存储操作，使用50 MHz的有源晶振作为DRAM的总线时钟，25 MHz有源晶振作为LCD的像素时钟信号，支持640x480 60 HzTFT LCD显示，LCD行、场同步信号由S1D13506内部通过对25 MHz像素时钟分频得出。LCD显示控制硬件接口电路如图2所示。


3.3 CF卡存储接口
在图形界面的设计中需要运用到位图、字库等数据资源，系统通过FAT文件系统管理CF中数据，并且通过PC机将数据直接拷贝至CF卡。AT91RM9200与CF卡硬件接口连接如图3所示。


4 软件设计
4.1 整体软件架构
系统软件可以使用Linux、VxWorks等操作系统，也可使用从直接操作低层硬件的前、后台软件。使用前、后台方式的软件虽然能够实现对硬件的充分利用，但使用操作系统增强了系统的可维护性与扩展性。系统在运行和使用过程中需要管理CF卡中的数据以及应用程序需要多线程支持，众多操作系统中，开源的Linux操作系统具有较为完善的文件系统与网络协议族，并且能较好的支持多线程程序，可满足设计需求。该系统使用的Linux内核版本为 2.4.2l，交叉编译工具链为ARM-Linux-cross-2.95.3。系统软件架构如图4所示。系统中，无论应用程序调用POSIX接口直接控制LCD显示还是通过MiniGUI间接控制LCD，最终都要调用相应的液晶控制器驱动接口函数，因此如何设计出一个S1D13506特殊硬件的驱动程序是整个软件设计的重点。


4.2 Framebuffer驱动的实现
Framebuffer是Linux内核中的一种驱动程序接口.这种接El将显示设备抽象为帧缓冲区。在应用程序中.将其映射到进程地址空间开辟的存储区域中，通过对存储区域进行的数据读写操作可以直接的反映在LCD上。在Linux2.4版本的内核中，Framebuffer被抽象为 linux\drivers\vide0下的fbcon.c文件，其主要依靠fb_info、fb_var_screeninfo、 fb_fix_screeninfo3个数据结构，这些结构定义在include/Linux/fb.h程序内。S1D13506基于 Framebuffer的设备驱动程序主要完成AT91RM9200 EBI总线的配置工作、S1D13506内部寄存器的初始化及Frambuffer中预定义的数据结构的填充。系统中使用的驱动程序是对EPSON公司 S1D13xxx系列显示控制器件Linux驱动程序修改完成。其初始化函数示意性代码如下：
int sldl3506fb_init()
{
init_9200_bank(); //初使化AT9lRM9200EBI总线
fb_info.RegAddr=(unsigned char*)ioremap_nocache(Ox300000000，0x200000);
fb_jnfo.VmemAddr=(unsigned char*)ioremap_nocache(0x30200000，Ox200000);
//将S1D13506的寄存器与显示存储的线性地址空间保存到显卡状态结构体setsIdl3506_reg();//配置S1D13506显卡寄存器，并填充显卡状态数据结构
register_framebuffer(&fb_info.gen.info);||注豫framebuffer,初始化完成
}
将驱动文件添加至Linux根目录下的drivers\vide0目录中，并在当前目录下makefile文件中添加obi一$(CONFIG FBS1D13506)+=sldl3506fb.O，在Config.ini文件中添加boolSldl3506'CONFIG_FB_EPSON，在 Linux移植过程中可将驱动程序静态编译到内核中。若要使MiniGUl支持Frame-buffer，需将MiniGUI.efg文件中GAL引擎设为Framebuffer,如gal_engine=fbcon。
4.3 应用程序
在应用程序设计中，使用多线程可更好的协调串口接收、图像显示、数据存储以及超时处理等操作。终端中基于POSIX的应用程序由图形显示与串口命令解析组成，由于Linux操作系统中不同的线程之间可通过全局变量传递参数，应用程序中使用了一个全局的循环FIFO作为两个线程之间的命令缓冲区，采用两个静态数据缓冲区用于存放串口传来的图像数据资源，数据缓冲区大小与LCD分辨率和像素深度有关。命令循环FIFO管理结构如下所示。


系统中，基于Framebuffer的设备被映射为/dev/fb0文件，应用程序启动后，首先调用open()函数打开设备，然后调用 mmap()函数将显存影射到用户空间开辟的数据缓冲区内，初始化命令缓冲队列后，启动串口命令接收，接收到有效的串口命令后则执行相应的显示操作。
5 结语
目前，该终端可成功驱动SHARP LQ035Q3DG01、LQl04-V1DG21等多种分辨率18 bit接口LCD，并在某纺织厂的细纱机车速监控仪中得到应用。使用该终端可降低人机界面的设计难度，提高仪器仪表的开发效率，并且可进一步扩展网络视频播放及网络命令接口等功能，具有良好的市场前景和使用价值。