基于FPGA的高清LCM在线检测仪设计

钟鸣，刘加东

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610曰2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江宁波315040曰3.电子科技大学电子科学技术研究院，四川成都611731）

基于FPGA的高清LCM在线检测仪设计

钟鸣1，2，刘加东3

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610曰2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江宁波315040曰3.电子科技大学电子科学技术研究院，四川成都611731）

院针对LCM的生产测试要求，设计了一种基于FPGA的高清LCM在线检测仪，该仪器具有体积小尧成本低尧操作简单尧兼容性和可扩展性强等优点遥该系统分为软件和硬件两大部分:上位机软件负责在线配置硬件，硬件部分以FPGA为控制核心，负责产生相应LCM所需要的驱动信号，最终显示LCM特定的测试图片遥经实验调试分析发现，本LCM在线检测仪可以实现脱机下的LCM驱动显示，支持RGB尧LVDS尧MIPI等主流的显示接口，并可驱动分辨率在2 560伊1 600以内的高清LCM的显示测试遥

院液晶显示模组曰检测曰现场可编程门阵列曰兼容性曰可扩展性

0 引言

随着人类社会文明的不断进步，显示器件作为人机界面已无处不在遥如今，随着LCD显示模组（LCM）技术的不断革新尧行业的迅速发展尧产业规模的逐步扩大，人们对LCM品质的要求也越来越严格遥各个LCM生产厂家所生产的每一块液晶显示器在出厂之前都必须进行点屏测试尧电磁特性检测尧缺陷检测和老化测试等一系列的测试，以保证产品的质量遥LCM的检测在国外起步得较早，技术比较成熟，韩国和日本占据着检测市场的主导地位遥国内在这方面的研究起步得较晚，技术也相对比较落后，企业的检测设备主要是靠引进遥一般国外的一台检测设备的价格在6～10万人民币之间，如果需要大量采购的话，则其成本将会很高遥而且现在的LCM显示接口多种多样，各种分辨率的LCM的测试信号也有差异，传统的LCM检测系统只能测试一种接口的LCM，对于多样化的接口，就需要不同的检测设备，这进一步地加大了LCM的生产成本遥因此，为了降低LCM的生产成本，实现检测设备的国产化，对LCM检测技术的研究与开发成为了国内各个LCM生产厂商重点关注的问题之一[1]遥

本文自主研制了一种基于FPGA的高清LCM在线检测仪遥该设备具有在线和离线两种操作模式，在线模式可以实现多种显示接口尧多分辨率的LCM驱动显示曰离线模式即指在线配置完成后能够独立完成LCM的驱动显示测试遥以下将主要介绍该设备的驱动显示原理尧软硬件设计和实验测试结果遥

1LCM的驱动显示原理

1.1 背景

对于一个分辨率为1 920伊1 080的TFT-LCD液晶显示器，其每个像素都是由3个分别负责红尧绿尧蓝的显示单元组成，总共需要1 920伊1 080伊3=6 220 800个基本单元，这些单元都是由场效应薄膜晶体管（TFT:Thin Film Transistol）驱动的，在所有高档次的液晶显示器中都使用TFT有源矩阵做驱动电路，TFT矩阵驱动LCM的等效电路图如图1所示[2]遥

为了方便描述，不妨将扫描信号（行信号线）按顺序分别命名为X1尧X2尧X3尧噎，同时将数据信号（列信号线）按顺序分别命名为Y1尧Y2尧Y3尧噎遥在进行扫描时，由栅线（行信号线）进行逐行选择，源线（列信号线）选择具体的像素遥LCM的驱动方式是线顺序扫描，按照逐行扫描驱动，即如果某一行的栅线Xi所对应的像素被选择，那么下一行将是栅线Xi+1对应的像素被选择，以此类推遥当所有的栅线依次被选择一遍之后就完成了一幅完整图片的显示，这样的一个扫描过程被称为野一帧冶遥每选择一行，就将该行的所有TFT都导通，即处于所有的栅线都被连通的ON状态，此时数据线Y1尧Y2尧Y3尧...所提供的数据信号通过相应的TFT，就与像素电容和存储电容相连接，并分别对其进行充电直至数据信号线上的电压符合要求为止曰而其他行的TFT都处于关闭状态，即处于所有的栅线未被连通的OFF状态，这样通过开闭各行的TFT即可实现逐行扫描驱动遥但需要指出的是，写入的数据信号需要一直保持到下一个扫描信号到来为止遥

图1TFT矩阵驱动LCM等效电路图

2LCM在线检测仪的系统设计

2.1 系统的功能需求

本文所设计的高清LCM在线检测仪的主要功能是为LCM提供驱动点亮所需的时序和数据信号，实现对分辨率为2 560伊1 600及以下的LCM的驱动显示和控制遥部分的需求指标如下所述[3-5]遥

a）驱动接口

该系统支持RGB尧LVDS和MIPI等主流接口遥

b）驱动模式

该系统最多可支持同时驱动两块液晶屏遥

c）支持分辨率

该系统能够支持2 560伊1 600及以下分辨率的液晶屏遥

d）像素时钟

实现程序可配置，其输出范围为20～165 MHz遥

e）PWM控制

其占空比可调的背光源驱动控制遥

f）电压输出

可由程序控制供电电压的输出时序遥

g）人机交互

在线调试模式下，由上位机控制LCM信号发生器进行TFT-LCD点屏操作曰离线脱机模式下，按键控制LCM信号发生器进行点屏操作遥

h）测试图片

具有大容量的测试图片存储功能，实现图片显示多样化和测试图片的高速读写遥

2.2 系统框架设计

本设计选用Altera的Cyclone IV E系列FPGA，具体的型号为EP4CE30F23C7的芯片作为整个系统的核心控制芯片，用Verilog HDL硬件描述语言进行编程，转接口模块使用的是晶门公司的SSD2828桥接芯片作为MIPI信号生成端，通过初始化设置SSD2828将系统产生的RGB数据信号转换为MIPI接口协议信号发送给LCM的MIPI接口遥同时，由PC端软件和按键控制图片的显示模式尧图像数据尧配屏代码的下载尧系统复位尧存储系统的参数配置尧内部寄存器的设置和像素时钟设置等操作，另外还有FPGA的JTAG下载接口和用于主动配置方式的EPCS配置芯片遥系统的原理框图如图2所示遥

系统的软件设计是PC端的应用开发，使用VS2010软件开发工具基于C#语言编写的上位机在线测试控制软件，可实现点屏参数配置尧FPGA内部寄存器设置尧电源供电时序控制和桥接芯片初始化设置等遥系统的硬件部分分为FPGA核心控制单元尧桥接芯片转接口单元和供电电压转换单元三大模块遥其中，FPGA核心控制单元的主要功能是输出点屏所需的RGB时序尧电压供电时序和背光源PWM波等，内部模块设计分为控制单元和接口单元两大类，其中，控制单元主要有USB指令译码尧本地寄存器尧可编程时钟控制尧按键控制和NAND FLASH坏块管理等模块曰接口单元主要有SPI通信接口尧NAND FLASH控制尧SDRAM控制尧RGB图像和时序生成等模块遥桥接芯片转接口单元的功能是使用专用显示接口桥接芯片将RGB信号转换成LCM所需的驱动接口信号，例如: LVDS尧MIPI和eDP等遥供电电压转换单元的主要作用是为LCM点屏提供所需的电压信号，例如: 1.8 V尧+5 V尧-5 V和背光源电压信号等遥

图2 系统原理框图

2.3 系统FPGA设计

2.3.1 通信模块设计

在本设计中，在线测试控制软件需要实时控制FPGA进行点屏测试操作，以及设置FPGA进行离线点屏操作，因此，要想实现软硬件之间的通信则必须制定相应的协议，即上图的指令译码模块，该模块的主要功能是实现FPGA和上位机之间的通信，并对上位机发传送过来的数据包进行解析译码，产生图像数据和配置指令，同时读取FPGA传送过来的状态信息遥可以说指令译码模块是整个系统中非常重要的部分，是实现整个系统配置和数据下载的核心模块遥

本文使用Cypress公司推出的型号为CY7C68013A的外部搭配USB芯片，并使用VerilogHDL语言编写USB芯片的控制模块来实现FPGA与上位机之间数据的双向传输遥针对本设计系统开发了一套基于USB接口的指令集，并将指令的解码方式编写到控制器的内部控制单元中遥PC机与FPGA通信时，每条指令都是独立的一帧传输，数据帧格式分为两大类，即图像数据帧和指令数据帧，数据帧的大小为4～1 024 bytes，其帧内容的定义如表1所示遥

本设计的控制系统指令集一共可支持72条指令，通过控制本地寄存器的状态来完成图像数据的发送与下载，动态可重构PLL的配置尧图像的显示驱动和背光调节等控制功能遥例如:本设计中所驱动的一款1 920伊1 080@60 Hz的LCM，需要事先配置好控制器内部的行场同步寄存器和分辨率寄存器，以发送行值1 920（16进制为780）为例，其指令格式为野A6 A1 04 00 02 07 80冶，其中，A6为帧头，A1为指令类型，04为自定义本地寄存器地址，0002为数据长度，0780为行值遥

2.3.2 可编程时钟控制模块设计

对于不同分辨率的LCM而言，其所要求的RGB时序和像素时钟是不同的，即使是相同分辨率的LCM，不同的液晶生产厂商所生产出来的液晶屏的RGB时序和像素时钟也是不同的遥目前，大多数信号发生器的像素时钟输出是通过对外接可编程时钟芯片（如Cypress公司的CY22394）进行编程配置来实现的遥这就需要额外增加硬件资源，而且还需要设计与之对应的控制模块，此外，还可能会有时钟同步延时的问题遥

本设计利用FPGA内部的锁相环（PLL:Phase Locked Loop）具有动态可重配置的特点，设计了一种基于FPGA的动态可重构PLL即可在线配置PLL输出，实现像素时钟20～165 MHz动态输出以满足不同分辨率的TFT-LCD的点灯测试遥与传统的时钟供应相比，本设计的像素时钟是由FPGA内部时钟管理模块提供的，避免了外部时钟的同步问题，可实现图像数据的同步输出遥

2.3.3 PWM调节模块设计

为了满足不同液晶屏的背光调节要求，本设计的LCM信号发生器支持可编程的PWM液晶背光调节，通过设置PWM控制模块中的寄存器值来实现不同宽度的脉冲信号的输出，输出的脉冲信号控制LED背光驱动IC（TPS61165）以达到调节TFT-LCD液晶背光亮度的效果遥

在本设计中，该模块通过设置PWM波的脉冲宽度调节寄存器power的值即可实现脉冲宽度可调节输出，PWM输出波形的频率为9.64 kHz，故设置power的取值范围为0～999 9，精度为10.3 ns遥

2.3.4 RGB时序生成模块设计

本设计的高清LCM在线检测仪的RGB时序输出量最大可满足3 840伊2 160@30 Hz的4 K液晶屏的要求，支持双路RGB时序输出遥因此，当LCM的分辨率在1 920伊1 080及以下时，可同时支持两块LCM屏的驱动显示曰当分辨率为2 560伊1 440及以上时，采用双路RGB时序输出，可支持一块屏的驱动显示，针对不同的LCM其显示方式也不同，有些是左右分屏显示，有些是奇偶分屏显示遥输出的RGB时序经过桥接芯片转换成相应的LCM接口信号以实现LCM的驱动，如本设计所驱动的一款支持MIPI接口信号的LCM屏，其分辨率为1 920伊1 080（RGB），驱动IC为HX8398-A，其输入的MIPI信号是通过MIPI桥接芯片（SSD2828）将RGB时序转换成MIPI信号来输出的遥

RGB接口的输出信号有像素时钟Pclk尧行同步信号Hsync尧场同步信号Vsnyc尧数据有效信号DEN和24 bit的RGB像素数据，其中，像素数据的产生有两种模式:在线调试模式下由上位机应用软件产生，通过USB传输而存入SDRAM缓存中再从SDRAM中读出曰离线脱机模式下由FLASH中读出的数据存入SDRAM中进行缓存，然后再输出到RGB时序生成模块，RGB图像数据产生系统如图3所示遥

3 实验结果

图3 RGB图像数据产生系统

图4LCM信号发生器的FPGA综合结果

图5TimeQuest Timing Analyzer的时钟分析结果

3.1 FPGA综合结果

本设计FPGA的开发环境为Quartus II 15.0，所选FPGA芯片的型号为Altera Cyclone IV E系列EP4CE30F23C7，仿真工具为Modelsim 10.0a遥首先，对各个子模块进行单独设计，并做功能仿真和时序验证，直至各个模块的功能和时序达到要求后将其连接成为完整的LCM在线检测系统曰然后，对整个系统进行功能和时序验证，在Quartus II 15.0环境下的综合结果如图4所示，综合后的时钟分析结果如图5所示遥

整个系统的时钟频率最高可达108.06 MHz，RGB时序输出的像素时钟频率最高可达190.4 MHz，满足系统最高时钟频率96.43 MHz和最高像素时钟频率165 MHz的要求，并且有一定的冗余遥同时FPGA还有很多内部资源可以利用，可增加一些测试算法，如Flicker测试算法尧老化测试和亮度稳定性测试等LCM检测内容，进一步地完善了LCM在线检测系统遥

3.2 LCM在线检测仪的整机调试

本设计的高清LCM在线检测仪的点屏测试分为两部分，一部分是在线调试，PC机和FPGA联合调试，即通过PC端的应用软件控制FPGA来实现液晶屏的点亮操作曰另一部分是离线脱机调试，即使用某应用软件将已调好的液晶屏的配置参数和图像数据生成二进制文件下载到信号发生器的FLASH中进行离线脱机模式下的调试遥PC端的应用软件界面如图6所示遥

该过程主要是验证测试图像的显示尧不同分辨率的液晶屏显示和其他操作功能的实现遥测试中分别选择了分辨率为720伊1 280和1 080伊1 920的两种液晶屏显示器，观察测试图像是否正常显示，测试结果如图7所示遥通过调试，发现本设计能够满足高分辨率下的液晶显示模组的测试需求，并且能够稳定尧可靠地工作遥

本设计的软硬件结合既是设计的难点也是创新点遥综合地考虑设计性价比，软件部分承担了部分硬件功能，如利用软件灵活的图像处理功能代替FPGA产生测试图片，而FPGA只负责控制FLASH存储所需的测试图片即可，而且FLASH存储容量大尧可满足不同环境下的测试图片的存储需求，不需要通过FPGA运算来产生图片，提高了图片的处理速度曰在设计硬件部分电路时综合考虑硬件系统的安全性尧可靠性尧人性化和低成本等因素，采用了模块化设计，将整个硬件分为3个部分，即FPGA核心控制模块尧桥接芯片转接口模块和供电电压转换模块，通过将各个模块进行拼接，实现了空间上的叠加，从而使得整个设备便于携带，并且制作成本低，便于调试硬件和排除故障遥

图6 应用软件界面

图7 测试结果

4 结束语

本文设计了一种基于FPGA的高清LCM在线检测仪，以FPGA为系统控制核心，上位机软件和硬件相结合，协同完成高清LCM显示的测试画面遥对于不同分辨率的LCM只需在PC端设置相应的参数即可，而不需要重新更改FPGA的内部程序，可以兼容多种接口尧多分辨率的LCM驱动显示，功能扩展性强遥在软件方面，发挥了软件开发的优势，开发了配套的PC机应用软件，界面整洁，操作简单，兼容性好，适合主流的PC机操作系统曰在硬件方面，采用模块化设计，实现空间上的叠加，与传统的LCM信号发生器相比，整个设备便于携带，并且制作成本低，为目前LCM的在线检测提供了一种较好的解决方案遥

院

[1]廖燕平，宋勇志.薄膜晶体管液晶显示器显示原理与设计[M].北京:电子工业出版社，2016.

[2]魏志勇.TFT液晶模块驱动电路设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006:1-3.

[3]钟建，张磊，陈晓西.液晶显示器件技术[M].北京:国防工业出版社，2014.

[4]马群刚.TFT-LCD原理与设计[M].北京:电子工业出版社，2011.

[5]王新新，徐江伟，邹伟金，等[J].电子测量与仪器学报，28（3）:278-284.

Design of High Definition LCM Online Detector Based on FPGA

ZHONG Ming1，2，LIU Jiadong3
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China曰2.Ningbo CEPREI IT Research Institute Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China曰3.Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Aiming at the production test requirement of LCM，a high definition LCM online detector based on FDGA is designed，and it has the advantages of small size，low cost，simple operation，strong compatibility and expandability.The system is divided into two parts:software and hardware.PC software is responsible for the online configuration of hardware，and the hardware part takes the FPGA as the control core，and it is responsible for generating the corresponding LCM required drive signal.Finally，the specific LCM test picture is displayed.After the experimental begugging analysis，it is found that the LCM online detector can realize offline LCM driver display，support RGB，LVDS，MIPI and other mainstream display interface，and can drive the display test of the high definition LCM with a resolution less than 2 560伊1 600.

LCM曰detection曰FPGA曰compatibility曰expansibility

院TP 216

院A

院1672-5468（2017）03-0048-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.03.010

院2016-10-24

院2017-03-24

院钟鸣（1978-），男，江苏南京人，工业和信息化部电子第五研究所、宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司助理工程师，主要从事电子产品检验检测、可靠性研究相关工作。