基于Ａｃｔｅｌ　ＦＰＧＡ的ＴＦＴ顯示控制方案（一）

在1970年，Fergason制造了第一臺具有實用性的LCD，從此之后，用戶產品的界面發生了巨大改變，變得更加的美觀、實用，在一定場合下逐漸取代傳統的數碼管、LED的顯示。薄膜電晶體液晶顯示器(Thin-Film-Transistor LCD，TFT-LCD)屬于LCD的一種，誕生于80年代末，在1995年之后被廣泛的應用，現在TFT的價格更是日趨下降，應用范圍出現了前所未有的變化，可以適用于醫療、電梯、數控機床、汽車電子、消費類屯子等行業。

TFT雖然顯示效果極佳，具有16位、24位、32位色等，但是控制時序相對復雜，因此應運而生了TFT的控制器，而帶有控制器的TFT顯示屏價格昂貴，大多數用戶選擇自己制作TFT控制器的方案，本文主要介紹基于Actel FPGA的TFT控制器解決方案，可以實現低成本、高性能、高可靠性等特點。

1TFT液晶相關知識

(1)液晶的種類

·段碼液晶

段碼液晶的顯示與數碼管的顯示方式類似，顯示內容比較單一，主要用于測量儀器的數據顯示，如水電表、轉速、流量表的顯示。

·單色液晶

單色的點陣液晶可用于簡單的西文字符和漢字的顯示，如1602點陣液晶，128*64點陣液晶等，一般內部具有控制器，帶有字庫，直接發送數據即可。

·TFT液晶

彩色液晶顯示因為顯示靚麗，色彩豐富，受到廠商的追捧，彩色液晶又有眾多類型，如STN液晶、TFD液晶、UFB液晶、TFT液晶等。其中TFT液晶在眾多彩色液晶種類中是最優秀的，色彩更逼真，細膩，層次感更強。

TFT液晶一般有兩種接口，TTL接口和LVDS接口，LVDS因為傳輸速率快，通常用于大屏，高分辨率的液晶顯示，如：14.1寸之上的液晶顯示。應用最普遍的是TTL接口的液晶屏，尺寸種類很多，如群創的TTL接口的液晶，能夠提供的尺寸從1.77寸到19寸。分辨率一般有320*240、480*320、480*272、800*600、1024*768、1280*1024、1440*900等。

(2)TFT的基本原理

TFT-LCD面板可視為兩片玻璃基板中間加著一層液晶，上層的玻璃基板是彩色濾波片(Color Filter)，而下層的玻璃有電晶體鑲嵌在上面。當電流通過電晶體產生電場變化，造成液晶分子偏轉，改變光線的偏極性，再利

用偏光片決定像素(Pixel)的明暗狀態。此外，上層玻璃因彩色濾波片貼合，形成每個像素(Pixel)包含紅、綠、藍三顏色，這些發出紅、綠、藍色彩的像素便組成了面板上的影像畫面，如圖4所示。

TFT面板就是由數百萬個TFTdevice以及ITO(In Ti Oxide，此材料為透明導電金屬)區域排列成一個矩陣，而所謂的Array就是指數百萬個排列整齊的TFT device的區域，此數百萬個排列整齊的區域就是面板顯示區，如圖5所示是一個像素點的結構。

(3)TFT應用場合

TFT的應用日趨廣泛，需要提供液晶顯示的產品也越來越多，在這列舉幾個典型應用的行業。

·電梯、醫療行業

電梯行業主要是內呼板和外呼板，傳統的顯示設備是數碼顯示，只能簡單的顯示樓層信息，TFT顯示器不僅除了指示樓層信息外，還可以顯示一些畫面和廣告，增加產品的檔次。

醫療設備多數采用TFT作為顯示界面，其中包括心電圖儀、血液分析儀等。

·電子終端、消費類電子行業

銀行、地鐵、商店等處的電子電子顯示終端為用戶提供了人性化的界面，消費累的產品更是注重外觀而選擇TFT的顯示屏。

2基于Actel FPGA的TFT控制器

(1)TFT控制器方案比較

·專用的TFT驅動IC

目前市場上比較大的TFT廠商，如飛利浦、夏普、東芝等。出貨量大的顯示屏主要在消費類電子，配套用在主流的手機、數碼相機等，用量特別大，而很多半導體廠家會針對量大TFT顯示屏推出專用控制器Ic，但是這種Ic往往具有專用性，只能控制顯示一特定的屏幕，不靈活、驅動的屏種類少、支持的分辨率較小等，價格一般在幾美金～幾十美金左右，而對于特殊時序的TFT屏幕，往往還需要加上CPLD進行時序的轉換。

·帶有TFT控制器的微處理器

目前在一些高檔的32位MCU自帶了TFT的控制器。例如：ARM7中的LPC2478，以及ARM9的LPC3250等，此類芯片集成度高，液晶控制器使用起來也比較方便，只需簡單的配置相關的寄存器即可。但是此類的缺點在于，內部自帶的TFT控制器占用了總線資源，在一些頻繁的需要從外部Flash導人數據場合，會導致刷屏速度很慢，顯示會有閃爍現象，而且成本也較高。只能支持800*768及以下的分辨率。

·基于FPGA設計TFT控制器

目前國內液晶屏廠商推出了很多時序差異比較大的液晶屏型號，不具有通用性，而且常需要使用高分辨率的TFT，此時很多用戶轉向用FPGA+SRAM或FPGA+SDRAM的方式實現TFT控制器，另外在很多場合設計都是基于8位或者是16位、32位的MCU，設計已經成型，只是在顯示部分升級到液晶顯示，這時采用FPGA設計TFT液晶屏控制器將會非常理想。這種方式不僅成本低、靈活性大、可靠性高，而且可以實現1024*768以上的分辨率顯示，因此被廣泛的應用。

(2)基于Actel FGPA的TFT控制器

Actel的FPGA具有單芯片、高可靠性、低成本等優勢，非常適合TFT控制器的設計，不僅能夠降低控制器的成本，而且由于FPGA重復編程的靈活性，只需要修改程序代碼即可實現不同尺寸、不同分辨率的TFT驅動控制器，滿足各種用戶的需求。

根據TFT顯示屏的分辨率以及接口的不同，可以采用A3P030+SRAM(IS61LV25616AL)或A3P060+SDRAM(IS42816400F)的方案來實現，根據不同的情況進行選擇，使得成本最低，性能最高的特點。采用A3P030+SRAM(IS6ILV25616AL)的方案可以實現480*320以及以下分辨率的TFT顯示，采用A3P060+SDRAM(Is42S16400F)可以實現480*320分辨率以上的TFT顯示，配合LVDS的驅動芯片可以實現LVDS接口的TFT液晶顯示屏。

·系統框圖

本期技術講座將主要介紹低成本的A3P030+SRAM(IS61LV25616AL)的方案，本方案已經成功應用于多家電梯用戶以及消費顯示控制的用戶。下期將介紹高性能的A3P060+SDRAM(IS42S16400F)的方案。系統框圖如圖8所示。

對于圖5所示的方案中，FPGA選擇了A3P030-VOG100，具有成本低的特點；顯存選擇IS61LV25616AL，大小為256K*16，由于顯存容量的原因，可實現480*320以內的分辨率顯示。對于高分辨率則需要采用A3P060+SDKAM的方式會更具優勢；電源選擇300mA的CAT6217和CAT6219給FpGA供電；MCU和TFT可以根據用戶的需要進行選擇。

·功能特點

采用Actel中較小成員A3P030，具有低成本、高可靠性、高性能等特點；

支持480*320以及以下分辨率；

支持不同尺寸的TFT的液晶屏(2″、2.5″、3.5″、4.3″、5″等)；

支持畫點、畫圓的操作，支持整屏DMA和局部DMA刷新操作；

MCU接口速度可達24M左右，并根據外部的晶振可以適當調整；

A3P030+IS61LV28616AL將實現最低的成本，并可以根據項目申請更低的價格；

靈活性極大，根據用戶的需求我們還提供定制服務，滿足不同用戶的需求。

3小結

本文主要介紹了基于Actel FpGA的TFT控制器的方案，本期主要介紹TFT的相關知識和基于A3P030+SKAM的TFT控制器方案，下期將介紹A3P060+SDRAM以及LVDS的TFT方案，敬請關注。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，并能關注下期的FPGA專題技術講座。