STM32F429的TFTLCD显示驱动方案的研究

杨志佳，陈小平

(苏州大学 电子信息学院,苏州 215000)



STM32F429的TFTLCD显示驱动方案的研究

杨志佳，陈小平

(苏州大学 电子信息学院,苏州 215000)

显示器作为人机交流的界面，承载着大量信息传递的功能。随着TFTLCD液晶屏在各行各业中的需求量日益增加，关于LCD的显示设计方案也成为了各电子产品开发过程中的重要组成部分。对此，ST公司推出了一款基于ARM Cortex-M4内核的处理器STM32F429，其自带Chrom-ART图像加速器和LCD-TFT显示控制器，方便用户设计出高集成度、高分辨率以及高画质的电子产品。

TFTLCD;STM32F49;Chrom-ART

引 言

随着工业技术的提高，TFTLCD液晶器件在各类消费电子以及工业上的应用越来越广泛，但通常TFTLCD不带驱动控制器，单片机往往通过串行或并行总线接口与外加的TFT控制器模块连接，再挂接TFTLCD液晶面板。受限于连接数据总线的传输速度,这样的LCD显示方案很难支持高分辨率和高显示质量的图片。因此，本文提出了基于STM32F429的显示方案，围绕STM32F429微控制器完成液晶显示的硬件设计，并介绍了基于该硬件平台的软件设计。

1 LCD显示系统设计

STM32F429在中高端图像显示系统中有着广泛的应用，设计者使用STM32F429集成的Chrom-ART图像加速器、片上或片外存储器作为帧缓冲、LTDC接口连接显示屏。其LCD显示系统架构如图1所示。

图1 LCD显示系统架构

Chrom-ART图像加速器能在存储区内建立图形元素，这些图形元素在经过处理之后会进入内部RAM，并进一步在外部SDRAM中建立并更新帧缓冲区，之后TFTLCD控制器将SDRAM中的数据流通过RGB接口传输给TFTLCD显示屏。

2 内部模块介绍

STM32F429微控制器与低级别微控制器相比,主要增加了Chrom-ART图像加速器、支持最高分辨率可达800×600的LCD-TFT显示控制器以及支持32位数据宽度的SDRAM接口。

Chrom-ART图像加速器其实就是专门用来传送数据的DMA控制器和图形处理模块的结合。它支持原始数据拷贝、带像素格式转换的图形拷贝，以及带透明特性的图像叠加。

由于Chrom-ART图形加速器与系统DMA相互独立，并且作为AHB总线主设备的Chrom-ART图形加速器可以对任何存储区进行突发访问，所以极大地加快了对图像的操作和设计。Chrom-ART图像加速器还可对存储区内的位图设定高度、宽度和起始地址，目标图形的输出起始地址和像素格式也可以灵活地设定。

本文提出的LCD的显示方案就能够充分利用Chrom-ART图形加速器的功能，在降低CPU工作量的同时提高显示效率。

STM32F429内部自带高度集成的LCD-TFT显示控制器，LCD-TFT显示控制器和TFTLCD显示屏之间通过24位的并行RGB数据线、同步时钟信号CLK、行同步信号HS、场同步信号VS以及数据使能信号DE连接。

LCD-TFT显示控制器具有两个显示层，且每层都有专用的FIFO，每层有多达8种的颜色输入形式可以选择，且每一层的配置参数灵活可变。

LCD-TFT显示控制器的结构如图2所示。LCD-TFT显示控制器作为主线控制器，每层都有各自专用的FIFO，用来从存储器中传输显示图像，并且每层都有各自独立的像素格式转换单元PFC，有8种像素格式可供选择，包括ARGB8888、RGB888、RGB565、ARGB1555、ARGB4444、L8、AL44和AL88。在经过像素转换处理之后，LCD-TFT控制器会将相同格式的两层图像叠加在一起，在经过抖动处理之后配合同步时序将显示数据传输给液晶屏。

图2 LCD-TFT控制器的结构示意图

3 电路设计

根据上文介绍可知，整个LCD硬件方案主要由主芯片、外部存储器SDRAM以及TFTLCD显示屏组成。

3.1 外部存储器SDRAM

若所需的显示屏较大，在高速图像采集和存储系统中需要临时存储大量数据，就必须使用片外存储器SDRAM作为帧缓冲，采用SDRAM作为数据缓存是一种非常有效的方法。SDRAM不仅存储量大，而且传输速度快。本文以IS42S16400为例，对SDRAM进行充分论述。

IS42S16400的单片容量为64 Mb，数据宽度为32位，最高时钟频率可达133 MHz，内部有4个Bank，每个Bank由2 048个行和256个列组成。STM32F429使用FMC接口与SDRAM相连，其SDRAM接口可灵活配置，时钟速度、数据宽度、时序等都可以灵活配置，以满足不同SDRAM对于TRCD、TCAS和刷新率的要求，并且还有自动刷新模式和掉电模式可供选择。

值得一提的是，STM32F429集成了专业FIFO优化读写操作，在写操作或者预充电操作时，FIFO会被清空；在读取SDRAM操作时，SDRAM控制器会提前读出后续地址数据存储在FIFO中，再次进行读操作时，控制器会先查看FIFO中是否有可用的数据，如果有则直接使用FIFO中的数据，避免了再次读写。这样一来，对数据的读取起到加速的作用。该芯片含有12位地址信号A[0…11]和16位数据信号D[0…15]，以及两位Bank选择信号BA0和BA1，另外还包括片选信号SDNE1、写使能信号SDNWE、行地址锁存信号SDNRAS、列地址锁存信号SDNCAS、时钟信号SDCLK、时钟使能信号SDCKE、字节选择信号NBL0和NBL1。

该SDRAM芯片的读写时序如图3、图4所示。值得注意的是：为了提高SDRAM信号的准确性，在画PCB板的时候，SDRAM的数据线和地址线应做等长处理。

图3 读时序

图4 写时序

3.2 TFTLCD显示屏

本文以型号为AT070TN92的7寸TFTLCD作为研究对象，其硬件连接如图5所示。AT070TN92有50个引脚，需要3.3 V、-7 V、10.4 V、16 V的电源供电，R[0:7]、G[0:7]、B[0:7]、DE、VS、HS、DCLK直接与STM32F429的LCD-TFT显示控制器相连。

图5 显示屏硬件连接图

背光驱动电路如图6所示，其主芯片采用的是MP3302，它是一款专门用于驱动TFTLCD的升压转换芯片。MP3302使用电流模式和固定的频率结构,来调节通过外部检测电阻测得的LED电流。正常工作时，FB的反馈输入端BL_GND输入200 mV的电压，这个200 mV的低反馈电压在一定程度上可以减少电源损耗，提高工作效率。4脚EN端是控制端口，EN端的输入电压必须高于0.6 V才能驱动芯片，当EN端的电压在0.7～1.4 V之间时，反馈电压会在0～200 mV之间调节，使得输出电压符合要求。

图6 背光驱动电路

电源部分以24 V直流供电为例，由于需要3.3 V、-7 V、10.4 V、16 V，所以采用的方案是先通过LM2575芯片将电压从24 V降至5 V，再通过TPS61040芯片将5 V电压升高至10.4 V。TPS61040可输出的电压最高可以达到28 V,且输出稳定，专门用于给各类液晶供电。生成10.4 V之后，再通过肖特基二极管BAT54S、稳压二极管ZMM3V9和ZMM4V7将10.4 V整流成16 V和-7 V。3.3 V直接采用LD1117-3.3芯片将5 V直接降至3.3 V，给各类芯片和显示屏供电。其电路图如图7所示。

图7 电源模块电路

4 软件设计

本方案的所有功能都是在微控制器内部实现，软件部分主要是对系统时钟、SDRAM、TFTLCD部分的初始化以及LTDC时序及层参数的配置。

4.1 系统初始化

STM32F429的主频最高可达180 MHz，本系统为了保证SDRAM的数据稳定，将主频定为160 MHz，将TFTLCD的RGB端口配置成普通复用推换输出。LCD显示内容可通过两种方式存储：一种是以数组的形式直接存储在微控制器的内部Flash中，但考虑到本例使用的是7寸800×480分辨率的显示屏，其数据量高达1 MB多，如果想采用本方案，则最好选择2 MB的主芯片，对于小尺寸TFTLCD来说，数据占用量小，采用该方案可方便快捷，大大降低了成本;另一种是将要显示的图片存储在TF卡中，如果显示的图片较多，采用TF卡的方案则更加妥当一些。

4.2 扫描时序配置

关于LCD-TFT控制器的扫描时序配置只需结合图8理解即可，这部分内容需要根据所采用的TFTLCD显示屏的手册严格配置。

图8 扫描时序配置参考图

各参数含义如表1所列。

表1 时序参数含义

4.3 层参数配置

LCD-TFT显示控制器共有三层，从下到上分别为Background、Layer1和Layer2。LCD的显示结果都是这三层叠加之后的结果，叠加运算公式为：BC=BF1×C+BF2×Cs。其中BC为叠加色，BF1和BF2为层一和层二的叠加系数，且有BF1+BF2 = 100%，C为当前层颜色，Cs为下一层颜色，在等于本层的透明色时用0来代替。

LCD-TFT显示控制器的层显示窗口参数的配置图如图9所示。

图9 层参数配置参考图

其中，WHSTPOS为窗口起点行坐标，WVSTOPS为窗口起点场坐标，WHSPPOS为显示窗口的高度和宽度，为了保证图像能够正确显示，一般都将显示区域的大小配置成与显存中图像大小一致的参数。

结 语

[1] ST.STM32F405xx/07xx，STM32F415xx/17xx,STM32F42xxx and STM32F43xxx advanced ARM-based 32-bit MCUs reference manual,2014.

[2] 黄智伟,于红利,宁志刚，等. 基于STM32F417的图像采集系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2012, 12(10): 48-51.

[3] 苏海冰, 吴钦章. 用SDRAM在高速数据采集和存储系统中实现海量缓存[J]. 光学精密工程, 2002, 10(5):462- 465.

[4] 孙俊喜.LCD驱动电路、驱动程序设计及典型应用[M].北京:人民邮电出版社，2009:64-72.

杨志佳(硕士研究生)、陈小平(教授)，主要研究方向为嵌入式系统应用。

Research of TFTLCD Display Driver Based on STM32F429

Yang Zhijia,Chen Xiaoping

(School of Electronic and Information Engineering,Soochow University,Suzhou 215000,China)

As a communication interface between people and machines,the LCD carries a large amount of information.With the rapid development of TFTLCD screen,the design of LCD display also becomes an important part of developing process of electronic product in all work of life.So the ST company launches the STM32F429 with Chrom-ART accelerator and LCD-TFT display controller based on the cortex-M4 kernel.It is convenient for users to design the high-integration,high-resolution and high-quality electronic products.

TFTLCD;STM32F429;Chrom-ART

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2016-06-17)