基于嵌入式Linux變壓器監測終端LCD驅動程序的設計

趙江東 姚有峰 馬小陸

（1皖西學院基礎實驗中心，安徽 六安 237012）（2安徽工業大學電氣信息學院，安徽 馬鞍山 243002）

引言

隨著電力系統自動化的發展，用戶對配電變壓器監測終端系統的人機界面的要求也越來越高，顯示器是主要的人機交互設備，但由于傳統的CRT顯示器體積過于龐大等缺點，難以應用到配電自動化的設備中[1]。LCD作為新一代的顯示設備，它能夠顯示字符、漢字及圖形，并且具有功耗低、體積小、重量輕及超薄等許多優點，可滿足配電變壓器監測終端系統人機界面日益提高的性能要求[2]。當前市場上的變壓器監測終端系統設計多是基于嵌入式技術，硬件采用性價比非常高的ARM處理器，軟件采用嵌入式Linux操作系統，這使得變壓器監測終端具有高精度的數據處理和強大的數據管理等優點。本文將闡述在嵌入式Linux變壓器監測終端平臺上液晶顯示屏的驅動程序的設計方法。

1 TFT-LCD工作原理

TFT-LCD是作為STN-LCD的換代顯示器，它具有響應速度快、分辨率高及色彩豐富等優點，當前正取代STN-LCD，被廣泛運用到便攜式計算機、攝錄像機及工業控制儀表等實際產品中。TFT-LCD的顯示原理如圖1所示。

圖1 TFT-LCD顯示原理

TFT是一個場效應管結構，它的柵極電流小，LCD的行和列數的增加是不會使驅動的電壓變高，故TFT-LCD可以制作成高分辨率的顯示器。當TFT導通的時候，源極和漏極的電阻較小；當TFT被關斷的時候，源極和漏極的電阻很大，它近似于開路。顯示驅動的時候，某一時刻只會有一行的像素被選中，這行的TFT被導通，其它行的像素TFT處于關斷狀態。TFT-LCD的色彩豐富，能夠做到真彩顯示，因此其應用非常廣泛。

2 Linux下LCD驅動接口

Linux2.2內核之后的版本中出現一種驅動接口，即Framebuffer。該接口提供了一種在硬件設備上處理圖像的方法。Framebuffer代表視頻的硬件設備，可使應用軟件利用其定義來確定界面訪問圖像的硬件設備[3]。這樣能使應用程序在不知道任何的硬件底層驅動內容。在Linux系統下LCD驅動的接口框圖如圖2所示。

圖2 Linux系統下LCD驅動的接口框圖

Framebuffer的實現可以分為兩個方面：一是對LCD和相關部件的初始化；二是對畫面的緩沖區讀寫，具體的代碼是read、write、lseek等相關系統調用接口。Framebuffer的完整驅動程序即是這兩個方面的具體實現，在Linux的發行版本中，包含大量設備驅動程序的源碼，例如drivers/video下提供了多種顯卡Framebuffer的程序，這樣省去了上層程序的工作，只要針對所用到的LCD模塊類型及接口時序修改其驅動程序中和底層相關的代碼，就可以得到需要的LCD驅動程序。

Linux為了便于開發Framebuffer程序，使用了層次結構。fbmem.c（內核源碼driver/video目錄下）源碼位于該設備驅動程序的中心位置。它為上層的用戶空間提供了系統調用接口，同時也可以為下層特定硬件提供驅動接口，底層硬件驅動需要用該接口向內核注冊。下面是fbmem.c的一些主要數據結構。

fb_info為幀緩沖設備定義的驅動層接口，其定義在內核源碼include/linux/fb.h文件中。不僅包含底層函數，也包含與設備有關的數據。每個幀緩沖的設備中都有一個fb_info的結構體與之相對應。它的重要成員有node、fb_var_screeninfo和fbops。node表示特定的Framebuffer，同時也是一個Framebuffer設備的次設備號；fb_var_screeninfo記錄了可以修改顯示器控制參數的內容；fb_ops提供了底層驅動的接口。與在編寫字符設備驅動程序一樣，需要填寫一個file_operations結構體，然后使用register_chrdev（）注冊file_operations。而編寫Framebuffer驅動代碼時，要填寫fb_ops結構體的相關成員。

綜上可見，在Linux下Framebuffer的編程框圖如圖3所示。

圖3 Linux下Framebuffer的編程框圖

3 LCD驅動程序設計

3.1 硬件結構圖

本文中使用的LCD型號為LQ080V3DG01，是由日本夏普生產的TFT-LCD，基于ARM920T的微處理器S3C2410和LCD液晶模塊的連接圖如圖4所示。

圖4 S3C2410和LQ080V3DG01連接圖

從S3C的LCD控制器引出來的信號線有24根數據線和部分控制線。如果使用256色LCD，則只需要其中低8位的數據線。這些線是經過74HC245模塊隔離后連接到LCD模塊，在接256色屏時由這個芯片完成電平的轉換。此外LCD信號線驅動74HC245的電源是可以選擇的。S3C2410可以安裝5寸的偽彩屏和8寸的真彩屏，其連接原理圖如圖5所示。

3.2 驅動程序設計

根據LCD驅動原理和以上硬件結構圖，LCD驅動程序設計代碼如下：

3.2.1 LCD 屏參數初始化[4][5]

圖5 S3C2410與LQ080V3DG01連接原理圖

3.2.2 Linux 系統 LCD 初始化

在Linux中對LCD模塊初始化代碼如下：

3.2.3 頭文件添加

在內核/include/asm-arm/arch-s3c2410目錄下創建zjd.h文件，內容如下：

3.2.4 配置和編譯內核

配置界面如圖6所示：

圖6 內核配置LCD模塊

選擇其驅動如下[6][7]：

將重新制作zImage燒寫到系統中，再次啟動 linux2.6.14以后就可以在LCD上顯示圖形。

4 結論

隨著電力系統自動化水平的日益提高，用戶對配電變壓器監測終端系統的人機界面的要求也越來越高，根據嵌入式Linux下配電變壓器監測終端的特點和Linux2.6內核驅動程序接口Framebuffer的工作原理，針對特定TFT-LCD屏詳細闡述了驅動程序的設計步驟，最后針對配電變壓器監測終端系統實驗平臺中的核心單元S3C2410處理器進行了驅動程序的測試驗證。測試結果表明LCD驅動程序的內核機制極大地優化了嵌入式系統友好界面設計，為嵌入式LCD模塊的應用提供了更廣泛的應用領域。

[1]陶維青，馬小陸.基于 430 單片機的新型配電變壓器遠方終端的開發[J].繼電器，2005，（19）：66-67.

[2]邱濤.一種基于Linux的車載多功能系統的設計與實現[D].重慶：重慶大學，2009.

[3]王春波.GPS/GPRS車載終端的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2008.

[4]譚周文.基于ARM和Linux的超高頻讀寫器設計與實現[D].長沙：湖南大學，2008.

[5]劉志棟.基于嵌入式Linux系統的夫瑯和費衍射實驗儀的開發與研制[D].長春：吉林大學，2008.

[6]李靜.基于嵌入式平臺的目標識別研究[D].桂林：桂林電子科技大學，2009.

[7]韋東山.嵌入式 Linux 應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008：158.