掌上電腦即PDA（Personal Digital Assistant），就是個人數(shù)字助理的意思。顧名思義就是輔助個人工作的數(shù)字工具，主要提供記事、通訊錄、名片交換及行程安排等功能。PPC對于剛剛使用的人來說比較輕松，操作方法和我們常用的windows操作系統(tǒng)相似，國[1]內(nèi)稱玩PPC的人為"蜥蜴".Palm的操作對于新手來說可能有些生澀，但是長期用起來就會愛不釋手，所以現(xiàn)在國內(nèi)也迅速的涌現(xiàn)出以大批"胖友"（玩palm的人）。如果PPC和PALM都玩的話就稱為"胖蜥蜴".

目前，掌上電腦CPU中比較流行的有MIPS系列、SuperH系列、DragonBall系列以及ARM系列。在操作系統(tǒng)領(lǐng)域，除了部分采用Linux和自行開發(fā)的操作系統(tǒng)外，大部分產(chǎn)品采用PalmOS、WindowsCE和EPOC操作系統(tǒng)。

為了在掌上電腦這一嵌入式系統(tǒng)的主要應用領(lǐng)域中占有一席之地，清華大學自動化系和深圳翔龍公司決定開發(fā)具有民族自主知識產(chǎn)權(quán)的掌上電腦。這就需要選好和開發(fā)出自己的硬件平臺；在硬件平臺和操作系統(tǒng)之上，再開發(fā)各種具體的應用程序，以滿足特定用戶的需求。本文介紹的液晶顯示器的設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。

1硬件電路組成

基于SA1110微處理器的掌上電腦液晶顯示器的硬件電路如圖1所示。主要由三部分組成：LCD控制器、專用集成電路芯片CPLD和液晶顯示屏LCD.

2SA1110的LCD控制器

SA1110芯片內(nèi)部集成了LCD控制器，該控制器有三種顯示類型

·無源彩模式：支持3375種彩色每幀允許顯示256種彩色；

·有源彩色模式：支持高達65536種彩色（16位）；

·無源黑白模式：支持15級灰度。

LCD控制器支持高達1024×1024象素的顯屏。LCD控制器也支持單屏和雙屏顯示。象素編碼數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中，LCD的雙通道DMA控制器可根據(jù)具體情況把數(shù)據(jù)裝入一個5單元（32位長）的隊列緩沖器中。DMA控制器的一個通道用于單屏顯示，另一個用于雙屏顯示。

在幀存儲器中，存儲著象素編碼數(shù)據(jù)。LCD控制器將其用作指針去索引一個256單元12位寬的調(diào)色板。黑白調(diào)色板4位寬，彩色調(diào)色板12位寬。來自幀存儲器的象素編碼數(shù)據(jù)（4位）尋址黑白調(diào)色板的頂部16單元；8位象素編碼數(shù)據(jù)可訪問調(diào)色板中的256單元的任意一個。在無源彩色12位象素模式下，彩色象素數(shù)據(jù)旁路掉彩色調(diào)色板并且直接送到LCD的抖動邏輯電路。抖動邏輯電路使用一種空基和時基算法產(chǎn)生輸出到屏幕的象素數(shù)據(jù)。抖動邏輯促使每一個象素以不同的速率在每一幀上關(guān)斷，從而給黑白屏產(chǎn)生15級灰度，為彩色屏幕的紅、綠、藍三基色中的每一種都產(chǎn)生15級色度，總計為3375種彩色（每幀可獲得256種彩色）。來自抖動邏輯電路的輸出數(shù)據(jù)在被輸出到LCD引腳和象素時鐘驅(qū)動顯示器之前，被放置在一個9單元的引腳數(shù)據(jù)隊列緩沖區(qū)內(nèi)。

根據(jù)所使用的顯示屏類型，可將LCD控制器編程為4位、8位或16位的象素數(shù)據(jù)引腳。單屏黑白顯示器在每個象素時鐘周期內(nèi)既可以采用4位也可以采用8位的數(shù)據(jù)引腳去輸出4位或8位的象素。單屏彩色顯示器可以采用8位的數(shù)據(jù)引腳在每個象素時鐘周期內(nèi)去輸出2~2/3位的象素（8引腳/3種色彩/每個象素）。LCD控制器也支持雙屏顯示。雙屏顯示促使LCD控制器數(shù)據(jù)行被分成兩組，一組驅(qū)動上半屏，另一組驅(qū)動下半屏。

在此方案中選擇了無源彩色模式。在此模式下，SA1110LCD控制器的控制過程如圖2所示。

CPLDPZ3128是Philips公司的專用集成芯片。由于手持設(shè)備的液晶顯示屏種類繁多，各廠家的標準不一致使SA1110的LCD控制器與SHARP公司的3.9寸TFT有源型彩色液晶顯示器在數(shù)據(jù)格式及顯示時序上無法匹配。因此，對CPLDPZ3128編程可為不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)接口進行映射為不同類型的LCD屏配置專用的ASIC芯片。

SA1110LCD控制器由以下引腳組成：

·LDD0~7:7位數(shù)據(jù)線用于4位和8位顯示模式，同時也是16位TFT方式的低8位；

·GPIO2~9：當采用的液晶模塊是16位TFT方式時，構(gòu)成數(shù)據(jù)線的高8位；

·L_PCLK:點時鐘（Pixelclock），用于把每一點的數(shù)據(jù)送入移位寄存器；

·L_LCLK:行時鐘（Lineclock），用于指示一行數(shù)據(jù)由移位寄存器到顯示驅(qū)動芯片傳輸完畢，并使得行指針加1.在16位TFT方式下，就是水平同步信號；

·L_FCLK:幀時鐘（Frameclock），用于指示一幀圖像的開始，同時把行指針置于顯示屏的第一行。在16位TFT方式下，就是垂直同步信號；

·L_BIAS:在16位TFT方式下，輸出允許信號，用于指示數(shù)據(jù)信號在時鐘信號的同步下，鎖存到引腳。

為了顯示一幀圖像，SA1110LCD控制器首先在RAM中開辟一片緩沖區(qū)作為幀緩沖（FRAMEBUFFER）。存入要顯示的圖像數(shù)據(jù)，然后讓LCD控制器的DMA地址寄存器指向FRAMEBUFFER的起始地址，讀出FRAMEBUFFER中的數(shù)據(jù)到輸入先入先出隊列（INPUTFIFO）。由于SA1110的LCD控制器擁有自己獨立的雙通道DMA,同時選用了高性能SDRAM,能滿足顯示帶寬的需求。

3 LCD模塊

LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。比CRT要好的多，但是價錢較其貴。

隨著價格的下降，液晶顯示由于低功耗、無輻射、輕便而廣泛用于各種掌上設(shè)備。特別是TFT-LCD,具有高分辨率、寬視角、高對比度等優(yōu)點，在高檔掌上電腦中應用較多。LCD投影機按內(nèi)部液晶板的片數(shù)可分為單片式和三片式兩種，現(xiàn)代液晶投影機大都采用3片式LCD板。三片式LCD投影機是用紅、綠、藍三塊液晶板分別作為紅、綠、藍三色光的控制層。光源發(fā)射出來的白色光經(jīng)過鏡頭組后會聚到分色鏡組，紅色光首先被分離出來，投射到紅色液晶板上，液晶板"記錄"下的以透明度表示的圖像信息被投射生成了圖像中的紅色光信息。綠色光被投射到綠色液晶板上，形成圖像中的綠色光信息，同樣藍色光經(jīng)藍色液晶板后生成圖像中的藍色光信息，三種顏色的光在棱鏡中會聚，由投影鏡頭投射到投影幕上形成一幅全彩色圖像。三片式LCD投影機比單片式LCD投影機具有更高的圖像質(zhì)量和更高的亮度。

LCD是一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的物質(zhì)，本身是不能發(fā)光的，需借助要額外的光源才行。因此，燈管數(shù)目關(guān)系著液晶顯示器亮度。最早的液晶顯示器只有上下兩個燈管，發(fā)展到現(xiàn)在，普及型的最低也是四燈，高端的是六燈。四燈管設(shè)計分為三種擺放形式：一種是四個邊各有一個燈管，但缺點是中間會出現(xiàn)黑影，解決的方法就是由上到下四個燈管平排列的方式，最后一種是"U"型的擺放形式，其實是兩燈變相產(chǎn)生的兩根燈管。六燈管設(shè)計實際使用的是三根燈管，廠商將三根燈管都彎成"U"型，然后平行放置，以達到六根燈管的效果。

作為SOC芯片的SA1110中本身就帶有LCD控制器，支持4、8、12和16位格式的多種型號的單色和彩色LCD,給開發(fā)者的選擇帶來很大方便。根據(jù)用戶的要求，考慮到實際的顯示效果，本方案選擇了SHARP的3.9寸TFT有源型彩色液晶顯示器，具體型號為：LQ039Q2DS54.點陣形式為320×3×240,可以顯示圖形和文字，最多可以顯示262144種顏色。

液晶模塊需要10個等級的標準模擬脈沖電壓V0~V9,用于LCD模塊內(nèi)部產(chǎn)生灰度顯示時的參考。這些電壓直接影響LCD顯示的色彩和灰度的準確性，對其數(shù)值要求精度較高。同時，它們是脈沖信號，要求邊沿陡，以保證顯示點清晰。圖3為V0~V9的波形示意圖，V0~V9的幅度參數(shù)要求如表1.

表1中電壓信號的產(chǎn)生先用高精度電阻構(gòu)成陣列，用電阻分壓法產(chǎn)生基準電壓，再由二選一開關(guān)按照LCD顯示的幀頻率進行高速切換，在輸出端就可得到所需的標準模擬脈沖電壓。其中，二選一開關(guān)選用LMC6009,該部分電路如圖4所示。

LQ039Q2DS54與眾多的TFT一樣，每一象素采用18位的編碼方式。紅、綠、藍每一種基色6位，即RGB666.但SA1110的LCD控制器支持16位方式，因此必須把紅、藍的最低位接地，從而形成5位紅、6位綠、5位藍的RGB565格式。這樣產(chǎn)生的色差非常小。

4觸摸屏

觸控屏（Touch panel）又稱為觸控面板，是個可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。

隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們越來越多地談到觸摸屏，因為觸摸屏不僅適用于中國多媒體信息查詢的國情，而且觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。利用這種技術(shù)，我們用戶只要用手指輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機操作，從而使人機交互更為直截了當，這種技術(shù)大大方便了那些不懂電腦操作的用戶。

觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。

通常，供掌上設(shè)備使用的觸摸屏一般都與LCD液晶屏集成安裝在一起，緊貼在LCD的表面。SHARP3.9寸TFTLCD（LQ039Q2DS54）表面裝有一個電阻式觸摸屏，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，分為X和Y上下兩個極板。

通過電阻式觸摸屏，可以測得接觸點的位置和壓力。當需要測試X坐標時，首先給X極板的兩端加偏置電壓，然后測試tspy、tsmy之一或全部。Y坐標的測試同理，只是X極板和Y極板互換而已。SHARP3.9寸TFTLCD（LQ039Q2DS54）表面安裝的電阻式觸摸屏的特性參數(shù)如下：

·輸入電壓：5V;

·X1和X2之間的電阻：320Ω；

·Y1和Y2之間的電阻：580Ω；

·X或Y方向的行線性：1.5%;

·絕緣電阻大于：20MΩ；

·能檢測到的最小壓力：24g.

本設(shè)計中所采用的Philips公司的UCB1300不僅可以作為MODEM和音頻模擬前端芯片，而且它的內(nèi)部集成有觸摸屏控制器，可以一片多用，便于在掌上系統(tǒng)中使用。觸摸屏控制器的功能包括：同時對點擊處的X和Y方向的模擬電壓信號進行數(shù)字量化，得到點擊位置數(shù)據(jù)，保存在內(nèi)部寄存器中；再通過MCP接口讀到微處理器中。UCB1300與觸摸屏控制器相關(guān)的特征有：

（1）完整的四線電阻式（壓感式）觸摸屏接口電路，分別連接觸摸屏的4條信號線tspx、tsmx、tspy和tsmy,可以實現(xiàn)位置、壓力和極板電阻的測量。

（2）帶有內(nèi)部跟蹤保持電路以及模擬多路開關(guān)的10位連續(xù)逼近型ADC,用于觸摸屏觸點數(shù)據(jù)的讀出和外電路4個模擬電壓的監(jiān)視，其中外電路4個模擬電壓監(jiān)視用于電源管理。

（3）內(nèi)部帶有參考電壓源，為10位ADC提供基準電壓和虛擬地參考。這樣就可以不受電源電壓和溫度變化的影響。

（4）4線高速串行接口數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)與主處理器SA1110的MCP同步串口通信，有嚴格的數(shù)據(jù)幀定義。

（5）觸摸屏的各種工作模式由UCB1300的內(nèi)部控制寄存器設(shè)置，而這些控制寄存器由SA1110通過MCP同步串口來讀寫。

（6）因為觸摸屏與LCD的近耦合，來自LCD屏的大的尖峰干擾信號會影響觸摸屏的工作，因此觸摸屏控制器內(nèi)部有4個低通濾波器，用于降低來自LCD的高頻干擾。

盡管目前國內(nèi)市場上的各種PDA和掌上電腦產(chǎn)品比較多，某些國內(nèi)的品牌也很暢銷，但是在產(chǎn)品設(shè)計和制造上，都是靠***地區(qū)等廠商的OEM,真正自主研究開發(fā)的硬件平臺幾乎為零。因此，本項目中掌上電腦硬件平臺系統(tǒng)的研制成功，特別是基于IntelStrongARMSA1110高性能CPU的樣機，在國內(nèi)仍處于領(lǐng)先地位，并且為同組人員開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)和各種應用程序提供了硬件環(huán)境。