Abstract:Demonstration of static image and dynamic date information are need frequently in intelligent instrument and industry control. Display drive of TFT-LCD was realized using Slave FIFO interface technology of Universal Serial Bus (USB) interface controller CY7C68013 in this design. The high speed of the technology ensured realization of video display. Real-time hot swap was achieved through USB interface technology. This design is used for device with USB interface, instrument and digital video.

Key words : slave FIFO interface; TFT True Color LCD; Three Color Synchronization

引言

在智能儀表和工業控制設計中常常會使用TFT液晶屏,現在常用的屏大部分都是高性能的。因為TFT液晶屏的生產廠商很多,標準也不統一, TFT液晶屏往往不能與TFT液晶控制器無粘合連接,所以在使用TFT液晶屏時,廠家還會推薦使用其專為TFT液晶屏設計的時序芯片。TFT液晶屏價格很高,控制器成本也非常高^[1]。而在很多智能儀表和工業控制中并不需要動態畫面，除一些數據或局部圖象變化外，背景圖像基本不變。本設計選用的是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片中的CY7C68013和SHARP 6.4英寸液晶顯示屏LQ064V3DG01。CY7C68013是一種帶USB接口的單片機芯片，雖然采用低價的8051單片機，但仍然能獲得很高的速度；LQ64D343液晶顯示屏是一款6.4英寸640480的TFT-LCD。采用USB接口控制芯片來驅動液晶屏的顯示無疑是一個很好的解決方案。

1芯片簡介：

1.1 CY7C68013芯片^[2]

CY7C68013是Cypress公司推出的USB2.0集成微處理芯片，片上集成了一個串行接口引擎（SIE）、一個USB收發器、增強型8051單片機（其指令系統與普通8051單片機完全兼容）及一個8.5kB片上RAM、一個4 KB FIFO存儲器及一個通用可編程接口（GPIF），這2個通用外部接口可實現USB2.0的高速傳輸。SIE負責和USB收發器、USB接口進行數據交換，大大簡化固件編程。SIE執行基本的2.0協議操作，釋放MCU（這里是8051芯片）去處理應用程序的請求，使得68013雖使用低價格的8051芯片，但獲得了USB2.0協議允許的最大帶寬。GPIF和FIFO可與大部分ASIC或DSP進行“無縫粘接” 。

1.2 LQ064V3DG01液晶屏^[3]

LQ064V3DG01是市面上較為常用的液晶顯示芯片，是一款6.4英寸480234的TFT-LCD，具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等特點，同時該屏是一片真彩顯示屏，并屬于透光型的TFT、其亮度高、視角寬、背光燈的壽命也很長（該背光燈比較容易更換），并且采用的是AG涂層和260K的彩色顯示。可廣泛應用于各種儀器儀表及各種視頻顯示的場合。LQ64D343的主要參數如下：

2 硬件原理設計：

CY7C68013提供三種接口模式：PORT（默認）、Slave FIFO和GPIF，由寄存器IFCFG決定。當它工作于Slave FIFO模式時，外部邏輯可像普通FIFO那樣對它的端點數據緩沖區進行讀寫與控制，通過FX2的內部端點FIFO，USB數據在主機和外部邏輯之間傳輸，而不需FX2設備CPU的任何干預。這時僅將FX2設備作為USB與外部邏輯間的一個通道。在GPIF模式下，CY7C68013作為一個內部控制器，可由軟件編程輸出讀寫控制。CY7C68013作為USB接口實現對液晶屏顯示驅動，提供了FIFO接口實現與LQ064V3DG01連接，并實現上位PC機經USB接口控制芯片到液晶顯示屏的快速圖像傳輸顯示的過程。系統框圖如圖1所示：

圖1 基于CY7C68013的液晶驅動設計的系統框圖

CY7C68013共有4個支持USB2.0高速傳輸的“大”端點（2個IN端點和2個OUT端點）和4KB片內RAM，該RAM 可配置為4個“大”端點的FIFO，其中2個“大”端點可以配置為雙、三、四緩沖區（FIFO），一個“大”端點最大可配置為2KB FIFO，更重要的是該芯片提供了兩個用于實現USB2.0高速傳輸的可編程外部設備接口以及Slave FIFO和GPIF，這2個通用外部接口可通過與4個“大”端點協調工作來實現USB2.0的高速傳輸,本設計只討論Slave FIFO可編程外部設備接口在設計中驅動液晶屏的應用。

本設計為了便于顯示中文信息和常用圖片，采用了一片32K8的高速靜態RAM（型號為CY7C1399BN）作為數據暫存器。 可存放容量比較大的字庫和一些常用小圖標等數據信息（如儀表中的一些常用圖標和工控中的設備圖標），這樣在顯示的過程當中不僅可以顯示背景圖像，還可以動態顯示數字、中文和小圖標。數據存儲器CY7C1399BN的原理圖如圖2所示（因CY7C68013原理圖太大，這里省略）。

設計中程序存儲器選用24LCxx序列，可通過跳線選擇，這里以24LC64為例。24LC64是8K8位電擦除可編程只讀存儲器，能進行在線修改，并能在斷電的情況下保持修改結果。24LC64的讀操作與普通的E²PROM的讀出相同，在寫入一個字節的指令碼或數據前，自動地對所要寫入的單元進行擦除，因而無需進行專門的字節/芯片擦除操作，從這個意義上講，使用24LC64這E²PROM就如同使用靜態RAM一樣，程序存儲器的原理圖如圖3所示。

圖2 數據存儲器CY7C1399BN的工作連接圖

圖3 程序存儲器連接圖

這些外圍的器件設計完之后，最后實現液晶顯示屏與控制器CY7C68013之間的連接，在連接過程中要考慮的問題就是要使紅綠藍三色數據信號線上的數據同步，并且保持相互獨立。至于同步我們可以根據軟件的設計或者是對CY7C68013進行設置。為了把管腳配置為Slave FIFO模式，需使IFCFG1:0＝11。要是使其工作在同步模式下就需使IFCONFIG.3=0。外部邏輯通過一條8位或16位數據總線訪問FIFO。每個FIFO的控制寄存器(EPxFIFOCFG.0)的WORDWIDE位控制數據總線的位數是8位還是16位：

①當WORDWIDE=0時數據總線為8位模式，FD[7:0]占用B端口。

②當WORDWIDE=1時數據總線為16位模式，FD[15:8]、FD[7:0]分別占用D、B端口。當FIFO端口中有一個設置為16位數據線模式，不管當前的FIFOADR[1:0]是多少，端口D都不能用作I/O口。

雖然將FIFO數據總線設置為16位模式，但是還不能夠滿足LQ064V3DG01的6bit3 =18bits 顏色顯示的的需求。設計中通過降低顏色性能來簡化電路，就將LQ064V3DG01三色數字信號線的最低位與低電平相連接，因為三色數字信號線的低位對顏色的影響不大，實際上將262K的顯示顏色變成32K的顯示顏色，同時可以節約三根數據總線，可用FIFO的16位數據總線實現三色數字信號的傳輸。這樣三色數字信號的同步性和獨立性問題都得以解決了。

設計當中選用的液晶屏LQ064V3DG01的顯示頻率要求最高不得高于28.33MHZ。在這樣條件之下，可以通過對8051設置CPUCS.1=1達到CLKOUT端口輸出頻率為24MHZ，此時與典型的顯示頻率比較接近。如果送入液晶屏的時鐘頻率過低的話就會導致顯示畫面的質量下降，還可能會出現閃爍等不理想的現象。

橫縱向同步信號可以決定行同步和場同步，如果將H_sync、V_sync兩引腳同為負極性時顯示屏工作在480行顯示模式下。在這里將H_sync、V_sync與CY7C68013的數據線D0和D1相連，可以通過軟件設計達到所需目的。該液晶屏還可以實現上下翻轉、左右鏡像的功能，本設計中沒有用到這些功能，將U/D、R/L兩腳懸空即可。液晶屏原理圖如圖4所示。

圖4 液晶屏在工作連接圖

3 固件程序設計

固件程序是所有基于微控制器及其外圍電路的功能設備正常工作必不可少的部分，其作用就是輔助硬件完成相應的功能，主要實現系統初始化、輔助硬件完成設備的重新列舉過程、模擬設備的斷開與重新連接、對中斷的處理、數據的接收和發送以及外圍電路的控制等功能^[5]。CY7C68013帶有加強的8051內核性能，可達到標準8051的5-10倍，且與標準8051的指令完全兼容，固件程序通過執行8051代碼完成相應的功能。Cypress公司的網站提供了CY7C68013芯片的開發工具包下載，該開發包提供了開發固件程序的所需的一些資源，如Keil μVision2集成開發環境(限制版)、Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。CY7C68013的固件主要有兩種引導方式，一種是存儲在EEPROM上，通過上電后的自檢自動將固件程序加在CY7C68013上；另一種方式是通過主機將固件程序下載到CY7C68013。在設計中我們采用了前一種方式，其工作流程如圖5所示。

圖5 固件程序工作流程

4 小結

本設計主要應用于智能儀表和工業控制，但從設計中可以看出，由于使用了CY7C68013的Slave FIFO，數據傳輸速率相當快，完全可以滿足視頻應用的要求，這也是選用CY7C68013的原因，只是顏色只有32K，但對于普通的視頻應用也足夠了，有興趣的技術人員可以做深入的研究。

本文作者創新點:通過利用CY7C68013的USB接口技術和Slave FIFO實現TFT液晶屏的快速驅動，可理解為USB接口芯片的巧妙應用。