随着人机界面(GUI)在医疗、工业以及消费电子各应用领域需求的日益增长,高集成度、高性能的TFT 液晶显示方案成为电子产品设计开发的重要组成部分。在无内置液晶控制器的情况下,单片机与具有内置控制器的液晶板之间往往采用串行或并行的总线接口连接,受限于连接总线的数据传输速度,难以支持较高的显示分辨率和画面质量。

意法半导体推出了基于ARM Cortex-M4 内核的STM32F4x9 微处理器,借助内置的LCD-TFT 显示控制器和Chrom-ARM 图形加速器,使SVGA 高分辨率和高品质显示画面质量成为可能。本文围绕STM32F4x9微控制器完成了液晶显示的硬件设计,并介绍了基于这一硬件平台以及STemWin 的软件应用开发。

1 基于STM32F4x9 的LCD 显示系统架构

电子系统中液晶显示的性能不仅取决于微控制器内置LCD TFT 液晶控制器的驱动能力,通常包括对最大显示分辨率、屏幕刷新速度以及像素数据格式的支持,同样取决于数据在存储器和液晶控制器之间的传输能力和显示图像数据处理的灵活性。

1 .1 基于STM32F4x9 的LCD 显示系统

STM32F4x9 为设计者提供了由包括ARM Cortex-M4 内核、Chrom-ART 图形加速器、LCD-TFT 液晶控制器的总线控制器,以及内部Flash、RAM 和外部SDRAM 组成的存储器共同构成的LCD 显示系统架构。参照图1,Chrom-ART 加速器与LCD-TFT 控制器能够协同完成图像的处理,包括像素格式转换、两层图像混合等,并将位于外部SDRAM 中的显示帧缓存数据传送到连接在LCD-TFT 控制器的液晶屏上。

图1 STM32F4x9 LCD 显示系统架构

举例来说,Chrom-ART 加速器能够将存储在内部Flash 中的图形元素经处理后传送到内部RAM,并进一步在外部SDRAM 中创建显示帧缓存,并刷新显示内容。之后LCD-TFT 液晶控制器将完成从外部SDRAM 到LCD 显示屏的图像传输。

1 .2 LCD-TFT 控制器结构及功能

作为AHB 总线控制器,LCD-TFT 控制器具有两个专用FIFO 用来分别从存储器中传输两层显示图像,并由独立的像素格式转换单元转换为同样的ARGB8888 颜色格式,由此支持包括RGB888、RGB565、ARGB1555、ARGB4444、L8、AL44、AL88 在内的多种像素格式。如图2 所示,混合单元负责将同样格式的两层图像连同背景色混合在一起,并经由抖动单元将最终显示数据传递到液晶屏。LCD TFT 控制器与液晶屏之间的数据传输由24 位数据R[0..7]、G[0..7]、B[0..7],行列同步信号LCD_HSYNC,LCD_VSYNC,时钟信号LCD_CLK 和数据使能信号LCD_DE 完成。

图2 LCD TFT 控制器结构及功能

1 .3 Chrom-ART 图形加速器结构 及功能

系统中的另一个AHB 总线控制器Chrom-ART 图形加速器是专用的图形显示处理DMA。它能够将源图像的部分或整体复制到目标图像,并同时完成图像像素格式的转换。如图3 所示,Chrom-ART 加速器同样可以完成前景和背景图像的混合处理并允许指定输出图像的像素格式。基于Chrom ART 加速器强有力的支持和灵活运用,将大幅降低图像处理的CPU 负荷。

图3 Chrom ART 图形加速器结构及功能

2 STM32F4x9 LCD-TFT 接口硬件设计

STM32F4x9 LCD-TFT 控制器提供并行24 位RGB 数字接口(LCD_R[0..7],LCD_G[0..7],LCD_B[0..7]),行列同步信号LCD_HSYNC 和LCD_VSYNC,以及时钟LCD_CLK 和数据使能信号LCD_DE,可以方便地与各种不同的LCD 显示屏直接连接。

在STM32429I EVAL和STM32439I EVAL 评估板上分别实现了24 位和18位宽度RGB 接口的液晶显示扩展。需要指出的是,当需扩展液晶显示屏的接口宽度小于24 位,为RGB565 或RGB666 时,每一颜色的高位数据线必须与所扩展的液晶屏相连。举例来说,如图4所示, 在STM32439IEVAL 评估板上将液晶控制器的R[2..7],G[2..7],B[2..7]信号分别与液晶屏上R[0..5],G[0..5],B[0..5]相连。

图4 STM323x9I EVAL LCD 硬件接口设计

可见基于STM32F4x9 控制器,可以非常方便地构建由直连到TFT LCD 控制器的液晶板和外接到FMC 的外部SDRAM 组成的液晶显示硬件系统。

3 图形栈软件库STemWin

免费STemWin 图形软件包是意法半导体与Segger的合作开发成果,基于Segger 的经过市场检验的emWin嵌入式图形软件包。STemWin 利用意法半导体STM32F4 微控制器内置的LCD-TFT 控制器和Chrom-ART 加速器大幅提高图形处理性能,配备的PC 设计工具支持高性能GUI 开发。

STemWin 图形软件包支持JPG,GIF 和PNG 解码,随包携带的窗口小部件使得建立简单的GUI 更为快速、便捷,并支持专业的开发工具GUIbuilder,从而实现简单的拖放动作。

结语

基于内置的LCD-TFT 控制器,Chrom-ART 图形加速器和FMC 外部SDRAM 控制器,意法半导体的STM32F4x9微控制器使得构建移动便携设备中的LCD 显示系统变得更为简单、灵活。