嵌入式系統的VGA接口設計 (包含各種VGA接口的設計)

目前越來越多的嵌入式處理器上集成了LCD控制器。典型的如三星的S3C2410A，Intel的Xscale系列。這樣可方便地外接大屏幕的LCD，且分辨率也能達到640×480，甚至800×600;色深能從6.5萬色(16位)到26萬色(18位)。但是大屏幕LCD的價格都比較昂貴。另一方面，普通計算機的VGA接口顯示器，保有量巨大、技術成熟，如果能通過接口轉換手段，讓嵌入式處理器直接支持VGA顯示器，則能很大地利用現有資源，節約系統成本。

　　LCD接口轉換為VGA接口

　　VGA (Video Graphics Array)接口信號為模擬信號。其關鍵信號有5個，分別是Horizontal Sync水平同步信號(也叫行同步信號)，垂直同步信號Vertical Sync(也叫場同步信號)，Red紅色，Green 綠色和Blue 藍色。電子槍從左至右,從上至下地進行掃描，每行結束時,用行同步信號進行同步;掃描完所有行后用場同步信號進行場同步。因電子槍偏轉需要時間，所以掃完回轉中，要對電子槍進行消隱控制:在每行結束后的回轉過程中進行行消隱;在每場結束后的回轉過程中進行場消隱。消隱過程中不發送電子束。

　　掃描式LCD接口(以S3C2410A的LCD控制器為例圖1)，在每一場完畢后，也是用VSYNC來進行場同步;每一行完畢后，也是用HSYNC進行行同步;也有VCLK像素時鐘，用于鎖存數據;

　　其場同步信號，寬度為(VSPW+1)，之前有場消隱前肩(VFPD+1)，之后有場消隱后肩(VBPD+1);

　　其行同步信號，寬度為(HSPW+1)，之前有行消隱前肩(HFPD+1)，之后有場消隱后肩(HBPD+1);

　　可以發現，掃描式LCD接口的同步信號時序和VGA接口是一致的。原因是發明LCD后，盡管顯示原理不同，但為了在時序上和CRT兼容，也采用了這樣的控制時序。基于此，完全能將LCD接口轉換為VGA接口。

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　　圖1 三星S3C2410A的LCD信號時序圖(來自S3C2410A數據手冊)

方案實現

　　VGA接口只需Hsync和Vsync兩個同步信號和RGB三個色彩分量信號。而掃描式LCD接口的同步信號的時序和VGA接口的完全一致，可直接把兩個同步信號接入VGA接口。

　　S3C2410A的LCD控制器輸出的是RGB數字信號。因此若用一些DAC芯片把RGB數字信號轉換為模擬信號，即可實現VGA接口的RGB信號輸入。這類視頻專用DAC芯片較多，例如ADI公司的ADV7120;CHRONTEL公司的CH7004C。實驗中選用的CHRONTEL公司的CH7004C。S3C2410A的LCD控制器與CH7004C的連接如表1。

　　表1 S3C2410A的LCD控制器與CH7004C的連接

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　　在選擇數據格式時，RGB565較合適，因為16位數據已經有6.5萬色，完全足夠;24位數據時每個像素實際占用32位，4個字節，傳輸時對S3C2410A的總線資源占用太大。

　　整個電路原理圖如圖2所示。其中一些需要注意的地方有：

　　CH7004C工作在從模式下，由S3C2410A的I2C控制。在實驗中使用的是精度較好的日本村田(murata)的阻容元件，包括10K,360歐，75歐和10pF的電容。10K用于I2C總線的上拉，360歐用于RSET引腳接地;75歐為R，G，B三個輸出管腳和地之間的終端電阻，10pF電容用于晶振。另外，CH7004C的IIC地址，是通過把ADDR引腳拉高或拉低來設定;接地時，根據芯片手冊，其7位的I2C地址為1110110，最后加一個讀/寫位。

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　　圖2 CH7004C的電路原理圖

CH7004C的關鍵寄存器及設置

　　CH7004C片內有25個寄存器。其中比較關鍵的是Display Mode，Input Data Format，Sync Polarity三個寄存器。Display Mode顯示模式寄存器，片內地址0X00，輸入分辨率為640×480，由芯片手冊，可選模式從Mode13到Mode17均可。實驗中選擇的是默認的Mode17，對應參數為0X6A。Input Data Format輸入數據格式寄存器，片內地址是0X04，因為輸入的數據格式為RGB565，且需打開pass-through模式，故對應參數為0X20。Sync Polarity同步信號極性寄存器，片內地址0X0D，根據輸入的Hsync和Vsync的極性來設定，如果是均為負脈沖，則把VSP位和HSP位都置0;如果均為正脈沖，則把VSP位和HSP位都設置為1。實驗中，把S3C2410A的LCD控制器的同步信號極性均設為低電平有效，故參數為0X00。

　　S3C2410A的LCD控制器設置

　　作為輸出源，S3C2410A的LCD控制器也需要進行相應設置。需要的輸出分辨率是640×480，16位色(RGB565格式),刷新率60Hz。一共有LCDCON1到LCDCON5共5個寄存器需要設置，具體參數要參考VGA時序規范和LCD時序圖(圖1)。所需設置的寄存器如表2。

　　表2 S3C2410A的LCD控制器中需要設置的寄存器

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　　實驗及數據

　　實驗中，選擇的操作系統嵌入式Linux，內核版本2.4.18，圖形系統是Qtopia 1.7.0。bootloader選用的韓國MIZI公司的vivi。上電后，vivi將進行初始化，其中包括設置CH7004，然后再引導進入Linux。對CH7004的操作，完全可以看作對一個IIC接口的EEPROM來進行，可專門定義一個函數IIC_Write()來寫數據。例如對IDF寄存器的設置為I2C_Write(0xec,0x04,0x20)。設置好后，CH7004的所有寄存器數據如表3。

　　實驗中還發現，設定SPR同步信號極性寄存器時，如果都設同步信號為正脈沖有效，接顯示器也能正常顯示，但是有閃爍。負脈沖有效則無這種情況，故推薦均設置為負脈沖有效。

表3 正常工作時,CH7004C的各個寄存器讀出的數據

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　　結語

　　本文提供的LCD接口轉換為VGA接口的解決方案，經過實際驗證，切實可行。在Linux和Windows CE 4.2兩種嵌入式操作系統下均進行了測試，Linux下VGA顯示器的畫面非常穩定;在Windows CE 4.2下基本穩定，略有閃爍。該方案最大特點在于讓嵌入式系統直接支持VGA顯示器，具備較大的實際應用意義。

　　圖3 Linux下外接VGA顯示器