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1 引言 EP7212是Cirrus Logic公司生產的單片嵌入式高集成度的處理器芯片，所有必需的接口邏輯都集成在芯片上，一個低功耗的系統方案只須增加一些存儲器和外圍器件就可以完成。它的處理器為ARM720T，核為ARM7TDMI CPU。時鐘速率可動態編程為18 MHz、36MHz、49MHz、74MHz，其穩定處理能力達到66MIPS（百萬條指令每針）（Dhrystone 2.1），峰值處理能力達到74MIPS，近似等同于一個100MHz奔騰處理器。EP7212主要為超低功耗所設計，內核在2.5V工作電壓下，功耗最大不超過90mW。通過嵌入其上的內存管理單元（MMU），允許使用像Microsoft Windows CE或Linux等一樣的高級操作系統。EP7212主要應用于PDA、GPS、手機等超低功耗和低成本場合。 隨著生活中類似于PDA的手持設備的增多，彩色LCD觸摸屏也越來越普及。本文除了簡單介紹EP7212的特性以外，主要討論EP7212上的LCD控制器如何驅動彩色LCD，以及觸摸屏控制器的使用技巧，并且給出具體的連接圖和邏輯圖。 
2 EP7212特性 *具有先進的音頻解碼/解壓縮能力，支持多種音頻解壓縮算法，可以提供與ADCs、DACs和CODECs相連的數字音頻接口（DAI）。 *內置LCD控制器，可以直接與一個單面板單色LCD接口。面板大小可編程，以16像素為增量，可置為32～1024像素的任何寬度（線長度）。視頻制緩沖可最高編程到128KB（字節）。每個像素可編程為1、2或4位。 *支持EDO DRAM（僅在13MHz和18MHz下支持快速頁模式）。可最高支持2條，每條256MB的DRAM。DRAM接口可編程為16或32位寬。 *存儲器可以和最高6個獨立的256 MB的擴展段接口，且處于可編程等狀態。 *LCD控制器和通用應用可以共享片上的38 400（0x9600）字節的片上SRAM。 *所有的外部存儲器和外圍器件與32位數據總線和28位地址總線相連，并且使用一些控制信號。 *兩個同步串行接口，支持類似于ADCs等Micro-wire或SPI外圍器件。其中一個接口支持主從模式，另一個僅支持主模式。 *使用已固化的片上引導ROM，用于串行加載引導程序到系統的FLASH存儲器。 *27位通用I/O（3個8位和1個3位GPIO口），支持多路復用，以提供必要的附加功能，且支持掃描鍵盤矩陣。 *內置2個全雙工UART（16550類型），可支持最高位速率到115.2kb/s，擁有2個16字節的FIFO用于TX和RX，其中UART1支持調解調器控制信號。 *具有最高速率為115.2kb/s的紅外數據SIR協議控制器。 *具有直流—直流轉換接口（PWM），可提供兩個編程占空比（從1-in-16到15-in-16）的96kHz時鐘輸出，可以驅動一個直流—直流的轉換器。 *擁有2個16位通用目的定時計數器。 *1個32位實時時鐘（RTC）和比較器。 *1個用于與1個或2個Cirrus Logic CL-PS6700 PC卡控制器相連的接口，可支持2個PC卡插槽。 *RTC驅動專用的LED內爍引腳。 *先進的系統狀態控制器和電源管理。 *具有208pin LQFP和256-Ball PBGA兩種封裝。 *帶有ROM、圖表、樣碼和設計庫的仿真工具。 *支持全JTAG邊界掃描和嵌入式ICE。
3 EP7212 LCD控制器 EP7212的LCD控制器可以提供所有必需的控制信號，以便直接與一個單面板多像素LCD接口。EP7212使用通用內存結構（UMA）存儲視頻幀緩沖，與內核處理器（ARM720T）一起共享主內存總線，總視頻幀緩存器大小可編程最高達128KB。該面板大小可編程，可以16像素為增量，置為32～1024像素的任何寬度（線長度）。總的線數（行）由總的幀緩沖器大小除以面板寬度和顏色深度決定。控制器還可編程提供1、2或4位每像素彩色深度，支持單色灰度顯示或是彩色顯示。 為了支持各種顏色和灰度級，LCD控制器有2個32位調色板寄存器，被分成8個可設定地址的半字節（nibble），共16個半字節，每個半字節被幀緩沖器中的數據尋址。當LCD控制器配置成像素點4位時，幀緩沖器中4位數據被用于代表1個像素，2個調色板寄存器中的半字節用該數據尋址，對應要顯示的像素。該尋址結構被用于將幀緩沖器中的數據映射到實際的灰度值，該值提供給顯示接口。當配置成4 bpp模式時，在調色板寄存器中的所有16個半字節被用于映射，這是因為每4個位可以提供16個不同的值。同理，2 bpp模式用最低的4個半字節；1 bpp模式用最低的2個半字節。 每個調色板寄存器半字節可以編程為0～15。這16個值對應16個不同的顏色深度級。當寄存器與灰度級相對應；當不匹配時，能產生一些有趣的顯示模式。例如，若想去觸發正常和翻轉兩種圖像，通過簡單的轉換調色板寄存器中的半字節值就可以實現，這比在幀緩沖器中轉換所有數據更快更容易。 LCD控制器有1個9字深的FIFO，被用作幀數據的過渡存儲緩沖。DMA控制器被用于從幀緩沖內存中取顯示數據并且填充到FIFO中。這樣，旦LCD控制器被配置和幀緩沖數據被存儲，EP7212就可以接著執行其它任務，而不必服務LCD控制器。 （1）灰度顯示原理 實際上，LCD顯示屏并不是設置成不同的亮度去驅動每一像素的。它對象素要么顯示，要么關閉。LCD顯示屏的一個常用指標是它的反應時間，反應時間指的是一個像素從顯示到關閉所花費的時間，典型的是幾百ms。一種調制技術被用于驅動每個像素，即用整個固定時間周期的一部分驅動每個像素。 LCD控制器內部有1個16周期計數器，用于產生16周期的間隔。當驅動像素時，它讀幀緩沖數據所指的，在調色板寄存器中的半字節數據。該數據確定在16周期間隔里像素顯示的次數。例如該值等于4，則該像素每隔4個時鐘周期顯示1次，等于整個16周期間隔的4/16。裸眠認為該像素以最大亮度的1/4進行顯示。
（2）彩色顯示原理 彩色顯示時，每個像素點有3個子彩色像素（紅、綠、藍）。灰度顯示的技術應用到彩色顯示中，每個子彩色像素有15種濃度的感覺效果。可用紅、綠、藍3種顏色的15種濃度中的一種去驅動1個像素點。如果LCD控制器編程為4 bpp模式，可支持最高15×15×15=3 375種不同的顏色；2 bpp模式時，可支持64種不同的顏色；1 bpp模式時，可支持8種不同的顏色。對于一個1/4VGA顯示屏，實際像的數量等于320×400×4=921 600位或115 200字節，小于上面提到的最大幀緩沖的限制（128KB）。 另外一個顯示特性是刷新率，指的是整個數據幀被重新寫到顯示屏的頻率。如果數據寫得太慢，將影響顯示質量；太快則顯示器的反應時間跟不上像素驅動狀態的改變。大部分顯示屏推薦的速率是70～80Hz。 當EP7212使用PLL時，則1個36.864MHz的時鐘提供給LCD控制器。當使用1個13MHz的外部時鐘時，則1個13MHz的時鐘提供給LCD控制器。固定時鐘源限制了像素寫到顯示屏的最大速率，即導致了最大刷新率的限制。 （3）LCD顯示接口 LCD顯示接口內置于EP7212之中，有如下信號：DD[0:3]、FRM、CL1、CL2、M。 ①DD[0:3]是4條數據線。LCD控制器輸出數據就意味著這些線在同一時刻輸出4個像素。每條數據線的高或低對應每個像素值的高或低。 ②FRM是幀同步信號。它在一幀所有的像素數據全部寫出接口后觸發為高，用于強迫復位線（行）計數器為0。這樣顯示屏將驅動下一個半字節數據到顯示屏的第一行。 ③CL1是行選通信號。它在一行所有的像素數據寫出接口后觸發為高。 ④CL2是像素數據時鐘。它被顯示屏用于在每個像素數據的半字節定時，它的周期是實際像素速率的1/4。當CL1觸發時，CL2置低。 ⑤M是交流偏壓信號。M的值由所使用的顯示屏確定，可從顯示屏的數字手冊中得到。 （4）彩色顯示接口 圖1是EP7212LCD控制器與夏普LM057QC1T03 1/4VGA彩色非觸屏LCD顯示模塊的接口連接邏輯圖（如是觸摸屏可加后面所述的觸摸屏轉換接口）。該顯示屏是8位數據接口。該邏輯的主要目的是將4位接口轉換成8位，對應2個半字節。該邏輯不影響LCD控制寄存器的編程，并且有同樣的刷新率和像素彩色深度。圖1的左邊是LCD控制器的所有信號，右邊與顯示屏相連。由于EP7212要輸出2組數據，為了支持8位數據，時鐘必須是原來速率的一半，這意味著CL2必須減半。通過用D觸發器，CL2作為輸入時鐘，則在它的Q端就變成輸入時鐘的1/2。CL1直接連接到顯示屏，它也被用于復位D觸發器，使Q端在開始時為低。 用74LCX174寄存器存儲8位數據的低4位。當高4位來到時2個半字節一起提供給顯示屏，LCD_EN可用1根EP7212的通和I/O引腳控制。 表1為部分兼容的顯示屏。 表1 部分LCD顯示模塊
4 觸摸屏控制器 觸摸屏分電阻、電容、表面表波、紅外線掃描和矢量壓力傳感等幾種類型，其中使用最多的是四線或五線電阻觸摸屏。四線電阻觸摸屏由2個透明電阻膜構成，在它的水平和垂直電阻網上施加電壓，A/D轉換面板在觸摸點測量出電壓，人而對應出坐標值。 ADS7843是TI公司生產的四線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下，功耗為750μW。在關閉模式下，功耗僅為0.5μW。由于具有低功耗和高速等特性，被廣泛應用在用電池供電的小型手持設備上。 ADS7843的連結關系如圖2所示。工作電壓Vcc為2.7～5.25V之間，基準電壓Vref介于1V到+Vcc之間。其準電壓確定了轉換器輸入范圍，輸入數據每個數字位代表的模擬電壓等于基準電壓除以4096。平均基準輸入電流由ADS7843的轉換率確定。轉換器的模擬輸入（X+、Y+、X-、Y-）是一個4通道多路器；DCLK是外部時鐘輸入引腳；CS是片選；DIN是串行輸入，控制數據通過該引腳輸入；DOUT是串行數據輸出，用于輸出轉換后的觸摸位置數據，最大數為二進制的4095；IN3和IN4是輔助引腳；PENIRQ是PEN中斷；用于觸摸顯示屏后引發一個中斷。 通過連接觸摸屏X+輸入到A/D轉換器，同時打開Y+和Y-驅動，然后數字化X+的電壓，從得到當前Y位置的測量結果。同理也可得到X方向的坐標。 具體設置和使用方法見ADS7843數據手冊。下面主要討論一下ADS7843的模式設置、PEN中斷引腳使用、軟件編程等。 （1）模式設置 ADS7843有差分（differential）和單端（singleended mode）兩種工作模式。這兩種模式對轉換后的精度和可靠性有一些影響。如果將A/D轉換器配置為讀絕對電壓（單端模式）方式，則驅動（driver）電壓的下降將導致轉換輸入數據的錯誤；如果配置為差分模式，可以避免上述錯誤。當觸摸屏被按下時，有兩種情況影響接觸點的電壓：一種是當觸摸顯示屏時，導致觸摸屏外層震動；一種是觸摸屏頂屏和低層之間寄存器電容引起的電流震蕩，以及在ADS7843輸入引腳上引起電壓震蕩。這兩種情況都導致了觸摸屏上的電壓發生震蕩以及增加DC值穩定的時間。 在單端模式中，一旦在觸摸屏上檢測到一次觸摸事件，EP7212就發送一串控制字節給ADS7843，要求它進行一次轉換。然后，ADS7843在獲取周期的起始點，通過內部FET開關提供電壓給面板，并導致觸摸點電壓的升高。正如上面所介紹的，上升的電壓在最終穩定之前會震蕩一段時間。獲取周期結束后，所有FET開關將關閉，A/D轉換器將進入轉換周期。如果在當前轉換周期間，沒有發出下一個控制字節，ADS7843將進入低功耗模式并等待下一條指令。由于面板上分布大量電容，特別是濾波噪聲，應該注意設置對應于X坐標或Y坐標上的電壓。在單端模式中，輸入電壓必須在Data In word的最后三個時鐘周期期間設置，否則將產生錯誤。 除了內部FET開關從獲取周期開始到轉換周期結束期間一直保持開發外，差分模式的操作類似于單端模式。加在面板上的電壓將成為對A/D轉換器的基準電壓，提供一個度量比的操作。這意味著如果加在面板上的電壓發生變化（由于電源、驅動電阻、溫度或觸摸屏電阻等改變導致），則A/D轉換器的度量比操作可以對這種變化進行補償。如果在當前轉換周期，發向ADS7843的下一個控制字節所選擇的通道與前一個控制字節相同，則在當前轉換完成后開關仍然不會關閉。 在這兩模式中，ADS7843只有3個時鐘周期可以從觸摸屏上獲取（取樣）輸入模擬電壓，因此為了ADS7843可以獲正確的電壓，輸入電壓必須在3個時鐘周期的時間范圍內設置好。打開驅動將引起觸摸屏的電壓快速升高，然后設置到最終值。為了得到轉換的正確數據。獲取必須在觸摸屏完全設置好時完成。有兩種獲取的方式：一是采用單端模式，用相對較慢的時鐘，這樣擴展了獲取時間（3個時鐘周期）；二是采用差分械，用相對較快的時鐘，在第一個轉換周期設置電壓，第二個轉換周期獲取準確的電壓。第二種方式的兩個控制字節相同，內部X/Y開關在首次轉換后不會關閉，由于首次轉換期間電壓還不穩定，因此要求丟棄首次轉換的結果。使用第二種方式的另一個優點是降低功耗，在全部轉換后，ADS7843進入低功耗模式并且等待下一次取樣周期。對于慢時鐘這種情況，下一次取樣可能在當前轉換結束后立即進入取樣周期，沒有時間進入低功耗模式。 在單端模式下不能使用快速時鐘。 差分模式具有以下特點： ①能夠在不擴展轉換器獲取時間的條件下，用很長的設置時間處理觸摸展，即觸摸屏電壓可以有足夠的時間穩定下來。 ②通過用快速時間，ADS7843可以進入低功耗模式，從而可以節約電池能量。建議使用差分模式。 （2）PEN中斷引腳使用
該引腳的主要作用是讓設計者可以完全控制ADS7843的低功耗模式操作。如圖3所示，I/O1和I/O2是引自EP7212的通用目的輸入/輸出口。當電源加入系統且轉換器被設置（PD1、PD0=00）之后，轉換器進入低功耗模式。當未觸摸面板時，ADS7833內部的二極管沒有偏正，因此沒有電流流過（忽略漏流）；當觸摸面板時，Y-提供了一條電流（I）通路；X+、X-和Y+處于高阻狀態，電流經過100kΩ電阻和中斷二極管。PENIRQ被拉低，通過I/O2上一個不超過0.65V的電壓喚醒CPU，然后EP7212拉低I/O1和I/O2上的電位，并且對ADS7843控制寄存器寫一個字節，進行轉換初始化。為了轉換PENIRQ二極管上的偏置電壓，EP7212必須拉低I/O1和I/O2上的電壓。否則，如果在轉換期間二極管上有一個前向偏壓，附加的電流將引起輸入數據不準確。 （3）差分模式下的軟件流程 下面兩種算法假設ADS7843配置成差分模式，每次轉換為16個時鐘，X軸坐標的結果在DATA X中，Y軸的坐標在DATA Y中。流程如圖4所示。 圖4（a）中的例子采用判斷兩次的方法來克服觸摸屏信號的抖動。DATA 1存儲當前轉換的結果，DATA 2存儲上一次轉換的結果，當兩次結果相同時轉換數據有效。但是當輸入電壓的震動頻率和取樣頻率相近時，可能會漏掉正確結果。 圖4（b）中的例子采用最后的轉換結果（第n次）作為有效轉換。該方式更加簡單，但是只對某一類觸摸屏有效。"n"的具體值依賴于ADS7843輸入電壓的設置時間，在確定"n"值以前需要對一些觸摸屏進行測試。 （4）錯誤觸發 由于X+輸入引腳與PEN中斷輸出相連接，因此，在X+上的噪聲可能引起觸摸屏錯誤觸發。可對在PEN中斷輸出引腳上連接1個RC濾波器。例如，對地連接1個1Ω電阻和1個0.01μF的電容，可以過濾噪聲脈沖和避免錯誤觸發。 5 結束語 本文主要介紹EP7212的LCD控制器的工作原理和設計邏輯，并且探討了觸摸屏控制器的使用技巧，適用于EP7212XX系列嵌入式處理器與單色、非觸摸屏連接的設計。觸摸屏部分也適用于與其它處理器的連接。 |
