Подключение цветного LCD с сенсорным экраном к микроконтроллеру

Добрый день. Сегодня я хотел бы поделиться некоторым опытом, касающимся подключения цветных LCD-индикаторов к микроконтроллеру. Эта тема уже поднималась на хабре (http://habrahabr.ru/post/139384/), поэтому данный пост может рассматриваться как дополнение к уже написанному моими уважаемыми коллегами.


В посте, на который приведена ссылка в начале, рассматриваются LCD-индикаторы, подключаемые с помощью интерфейса SPI. Такой способ подключения является простым, но не единственным. Множество индикаторов имеют «на борту» лишь упрощенный контроллер, не имеющий памяти для хранения изображения, и в силу этого, требующий непрерывного обновления изображения. Такие индикаторы применяются повсеместно в электронных гаджетах, и для их функционирования необходим специальный контроллер LCD, встроенный в микроконтроллер. Примером такого индикатора может служить MI0350CT-3 производства фирмы Multi-Inno Technology. Это достаточно типичный представитель цветных LCD, имеющий разрешение 320*240 и резистивный сенсор.
Итак, у нас появляется некоторая проблема. Пусть каждый пиксел представлен в памяти 32-битным значением (из них используется только 24, но данные выровнены по 4-байтным границам). Итого, под одну видеостраницу нам понадобится 320*240*4 = 307200 байт = 300 кбайт RAM. Не в каждом микроконтроллере есть такое количество памяти. Поэтому, как правило, для работы LCD нужна внешняя память, а значит, и контроллер внешней памяти на кристалле микроконтроллера.
Справедливости ради нужно заметить, что требования к объему памяти можно снизить, если использовать не 24-бита на пиксел, а меньшую глубину цвета, но, с другой стороны, мы можем захотеть разместить в памяти системы несколько видеостраниц, чтобы иметь возможность быстрого переключения между ними. Позже мы вернемся к этой теме.
Для примера рассмотрим подключение LCD к микроконтроллеру LPC2478. Это немного устаревший представитель микроконтроллеров фирмы NXP (на ядре ARM7, а не на современном Cortex M3), но для наших целей это несущественно. Этот микроконтроллер содержит всё необходимое: контроллер внешней памяти (с возможностью подключения как SRAM, так и SDRAM), и контроллер LCD с возможностью очень гибкой настройки.
Для экспериментов я использовал плату SK-MLPC2478 имеющую, помимо микроконтроллера LPC2478, микросхему статической памяти (CMOS SRAM) K6R4008V1D-TI10 объемом 512Kx8 bit. К плате подключен вышеупомянутый индикатор MI0350CT-3.
Есть еще один подводный камень: данный индикатор требует для питания подсветки источник с выходным током 20 мА при напряжении около 20 В. В качестве такого источника можно использовать, например, импульсный повышающий преобразователь, который питается входным напряжением +5В, и питает нагрузку стабилизированным током 20 мА. Если нагрузка не подключена, то преобразователь работает в режиме стабилизации выходного напряжения (U вых = 20 В). Схема преобразователя приведена на рис 1. Принцип действия и расчет повышающего преобразователя здесь рассматриваться не будет, интересующиеся этой темой могут обратиться к документации на микросхему MC34063A.

Рис. 1. Преобразователь напряжения.

Рассмотрим вкратце подключение и работу LCD такого типа. LCD использует 24 сигнала для информации о цвете, сигнал CLK для пиксельной синхронизации, сигналы HSINK и VSINC для импульсов горизонтальной и вертикальной синхронизации. Помимо этого, индикатор имеет интерфейс SPI для настройки вспомогательных регистров, сигнал #RESET и сигнал DEN (data enable). Интерфейс SPI в данном случае предназначен не для передачи изображения в контроллер дисплея, а для конфигурирования вспомогательных регистров. Эти регистры позволяют выбрать режим работы индикатора, регулировать яркость, контрастность и другие параметры. Однако регистры управления индикатора по умолчанию устанавливаются в нужное нам состояние, и, если мы не собираемся их изменять, сигналы SPI можно просто проигнорировать. Сигнал #RESET можно просто установить в неактивное (единичное) состояние. В дальнейшем он нам не понадобится.
Итак, основными сигналами, необходимыми для работы данного типа индикатора, являются: сигналы данных, несущие информацию о текущем цвете пиксела в формате RGB, сигнал тактирования CLK, сигналы вертикальной и горизонтальной синхронизации, а также сигнал разрешения данных. Рассмотрим временные диаграммы.

Рис. 2. Временная диаграмма передачи данных в LCD.

На рис. 2 показана самая «крупномасштабная» временная диаграмма передачи данных, изображающая передачу данных одной строки изображения. Передача происходит по фронту сигнала CLK, и сопровождается высоким уровнем сигнала разрешения данных DEN. Передача происходит в формате RGB, при этом биты Data0 — Data7 соответствуют синему цвету, Data8 — Data15 — зеленому, Data16-Data23 — красному.
Перед передачей данных строки и после передачи данных вставляются «пустые», не несущие информации импульсы CLK. Передача строки предваряется импульсом горизонтальной синхронизации HSYNC (LCD_LP).
Тактовая частота индикатора составляет 6,4 МГц (её можно уменьшить, но тогда становится заметным мерцание кадров).

Рис. 3. Временная диаграмма передачи кадра в LCD

Временная диаграмма передачи полного кадра в LCD показана на рис. 3. Передача кадра начинается с 13 «пустых» строк, далее следуют 240 строк с изображением, после которых опять идут «пустые» строки. Передача кадра начинается с импульса вертикальной синхронизации.
Также подключим к микроконтроллеру резистивный сенсор. Описание этого подключения будет приведено ниже.
Полную схему подключения индикатора к микроконтроллеру я приводить не буду, в силу ее очевидности, приведу лишь таблицу соответствия выводов индикатора и пинов контроллера.

Таблица 1. Соответствие сигналов LCD и выводов контроллера

Собираем макет устройства (рис. 4 — 6):

Рис. 4. Платы макета устройства

Рис. 5. Макет устройства (частично собран)

Рис. 6. Макет устройства в сборе

Теперь, когда всё подключено, можно приступить к написанию кода. Первое, что нужно сделать, это сконфигурировать и протестировать внешнюю SRAM память:

// Init SDRAM controller
  // Enable EMC clock
  PCONP_bit.PCEMC    = 1;

  EMCSTATICWAITRD0   = 0x00000001;
  EMCSTATICWAITPG0   = 0x00000000;
  EMCSTATICWAITWR0   = 0x00000000;
  EMCSTATICWAITTURN0 = 0x00000000;
  
  EMCCONTROL      = 1;         // enable EMC

Тест SRAM:

char SRAM_Test(void)
{
// 32 bits access
  for (Int32U i = 0; i < 0x80000; i+=sizeof(Int32U))
  {
    *(Int32U*)(((Int32U)SRAM_BASE_ADDR)+i) = i;
  }

  for (Int32U i = 0; i < 0x80000; i+=sizeof(Int32U))
  {
    if (*(Int32U*)(((Int32U)SRAM_BASE_ADDR)+i) != i)
    {
      printf("Verification error on address : 0x%xn",(Int32U)SRAM_BASE_ADDR+i);
      return(FALSE);
    }
  }

  return TRUE;
}

Следует понимать, что быстродействие внешней памяти является важным фактором. В самом деле, поток данных в нашем случае составляет Fclk * N, где Fclk — тактовая частота индикатора, N — количество байт в памяти, отведенных под 1 пиксел. Итого получаем 6.4*10^6 * 4 = 25.6 Мбайт/с. Для памяти с 8-битным интерфейсом это означает максимально допустимое время доступа 39 нс. Требования к быстродействию памяти можно снизить, если использовать память с 16 или 32-битным интерфейсом и/или уменьшить используемую глубину цвета.
Конфигурируем LCD в, выставляя длительности сигналов в соответствии с документацией индикатора:

// Init GLCD cotroller
  PCONP_bit.PCLCD = 1;      // enable LCD controller clock
  CRSR_CTRL_bit.CrsrOn = 0; // Disable cursor
  LCD_CTRL_bit.LcdEn = 0;   // disable GLCD controller
  LCD_CTRL_bit.LcdBpp= 5;  //2bpp // 24 bpp
  
  LCD_CTRL_bit.LcdTFT= 1;   // TFT panel
  LCD_CTRL_bit.LcdDual=0;   // single panel
  LCD_CTRL_bit.BGR   = 0;   // normal output
  LCD_CTRL_bit.BEBO  = 0;   // little endian byte order
  LCD_CTRL_bit.BEPO  = 0;   // little endian pix order
  LCD_CTRL_bit.LcdPwr= 0;   // disable power
  
  // init pixel clock
  LCD_CFG_bit.CLKDIV = SYS_GetFsclk() / (Int32U)C_GLCD_PIX_CLK;
  LCD_POL_bit.BCD    = 1;   // bypass inrenal clk divider
  LCD_POL_bit.CLKSEL = 0;   // clock source for the LCD block is HCLK
  LCD_POL_bit.IVS    = 1;   // LCDFP pin is active LOW and inactive HIGH
  LCD_POL_bit.IHS    = 1;   // LCDLP pin is active LOW and inactive HIGH
 // LCD_POL_bit.IPC    = 1;   // data is driven out into the LCD on the falling edge
  LCD_POL_bit.IPC    = 0;   // data is driven out into the LCD on the rising edge
  
  LCD_POL_bit.PCD_HI = 0;  //  //
  LCD_POL_bit.PCD_LO = 0;  //

  LCD_POL_bit.IOE    = 0;   // active high
  LCD_POL_bit.CPL    = C_GLCD_H_SIZE-1;
  // init Horizontal Timing
  LCD_TIMH_bit.HBP   =  C_GLCD_H_BACK_PORCH - 1;
  LCD_TIMH_bit.HFP   =  C_GLCD_H_FRONT_PORCH - 1;
  LCD_TIMH_bit.HSW   =  C_GLCD_H_PULSE - 1;
  LCD_TIMH_bit.PPL   = (C_GLCD_H_SIZE/16) - 1;
  // init Vertical Timing
  LCD_TIMV_bit.VBP   =  C_GLCD_V_BACK_PORCH;
  LCD_TIMV_bit.VFP   =  C_GLCD_V_FRONT_PORCH;
  LCD_TIMV_bit.VSW   =  C_GLCD_V_PULSE;
  LCD_TIMV_bit.LPP   =  C_GLCD_V_SIZE - 1;
  // Frame Base Address doubleword aligned
  LCD_UPBASE         =  (Int32U)GetVramAddr()  & ~7UL;

Теперь записываем в ROM тестовую картинку и копируем ее в RAM:

Рис 7. Тестовая картинка

Картинка записывается в виде массива unsigned int [240][320], и копируется по базовому адресу внешней памяти (0x80000000).
Работа встроенного в микроконтроллер механизма поддержки LCD заключается в том, что данные считываются из RAM контроллером DMA, и подаются на контроллер LCD, где накладывается изображение курсора и данные подаются на вход LCD. Также контроллер LCD может обеспечивать поддержку палитры для режимов от 1 до 8 бит на пиксел. Палитра реализована в микроконтроллере как 256 16-битных регистров и, таким образом, обеспечивает отображение 8-битного цвета в 16-битный (5 бит/цвет + 1 бит общей интенсивности).
Курсор имеет отдельную палитру из двух 32-битных регистров, она обеспечивает отображение монохромного изображения курсора в 24-битное цветовое пространство. Курсор может быть размером 64x64 пиксела либо 32х32 пиксела, и содержит как само изображение курсора, так и маску инверсии изображения.
Теперь можно запустить тестовою программу и посмотреть на результат.

Рис. 8. Результат работы.

Подключение резистивного сенсора

Принцип действия резистивного сенсора широко известен (те, кому он неизвестен, могут ознакомиться с ним, например, здесь http://ru.wikipedia.org/wiki/Сенсорный экран ). Поэтому перейдем сразу к описанию подключения сенсора к микроконтроллеру. В данном устройстве используется сенсор с четырехпроводной схемой подключения. Схема подключения показана на рис. 9.

Рис. 9. Схема подключения резистивного сенсора к микроконтроллеру.

Идея, лежащая в основе такого подключения, состоит в следующем. Каждый вывод микроконтроллера может находиться в одном из следующих состояний: выход с логическим 0, выход с лог. 1, вход (т. е., фактически, неподключенный вывод), и вход, подтянутый к напряжению питания через резистор. Выводы YU и XL могут также служить входами АЦП.
Вся процедура определения координат нажатия может быть условно разделена на три фазы. В первой фазе выводы, к которым подключен сенсор, находятся в следующем состоянии: (рис. 10).

Рис. 10. Определение координат нажатия. Фаза 1.

При замыкании пленок сенсора на вход микроконтроллера поступает сигнал лог. 0, и программа переходит к фазе 2, определению x-координаты нажатия (рис. 11). Затем следует фаза 3, определение y-координаты. (рис. 12).

Рис. 11. Определение х-координаты нажатия.

Рис. 12. Определение y-координаты нажатия.

Разумеется, алгоритм вычисления координат нажатия должен включать в себя подавление дребезга «контактов» (плёнок сенсора).
При однократном измерении точность определения координат будет слишком низкая, шумы измерений приведут к тому, что курсор будет сильно колебаться в окрестностях точки касания. Поэтому весьма желательным является применение какого-либо алгоритма фильтрации, например медианного фильтра (http://ru.wikipedia.org/wiki/Медианный_фильтр).
После получения результата в кодах АЦП он пересчитывается в координаты экрана с помощью обычных линейных преобразований (ax + b), где коэффициенты a и b должны быть найдены путем калибровки сенсора и сохранены в энергонезависимой памяти контроллера. На рис. 13. приведен пример экран калибровки.

Рис. 13. Экран калибровки.

Рис. 14. Экран калибровки на LCD.

Возможна также реализация подключения сенсорного экрана с помощью внешнего контроллера, например, XPT2046.
Полный исходный код примера программы можно скачать отсюда: https://bitbucket.org/arktur04/lcd-demo (среда разработки IAR).

Ссылки на упомянутую в посте документацию:
1.Дисплей Multi-Inno MI0350CT-3 http://www.displayfuture.com/engineering/specs/TFT/MI0350CT-3.pdf
2.Импульсный преобразователь напряжения MC34063A http://www.fairchildsemi.com/ds/MC/MC33063A.pdf
3.Микроконтроллер LPC2478 http://www.ru.nxp.com/products/microcontrollers/arm7/lpc2400/LPC2478.html
4.Контроллер резистивного сенсора XPT2046 http://www.dzsc.com/uploadfile/company/785710/20111014212155973.pdf

Автор: 32bit_me