在嵌入式顯示控制和視訊應用中，可以看到越來越多的圖形液晶顯示器設計，例如工業控制台的人機介面(HMI)、自動販賣機、汽車和海事用的儀表板、家用電器、醫療設備和遊戲機。針對高效率的控制器設計的關鍵要求是靈活有效的解決方案，以及對成本和性能的優化。設計人員經常須要在自己的設計中融入協力廠商的顯示控制解決方案，這就必須有穩定的矽智財(IP)，並且要能夠輕易地整合至設計人員自己的IP模組和處理器介面內。
FPGA可滿足LCD應用需求
系統設計工程師正轉而採用可程式設計邏輯元件，例如在設計中採用現場可編程閘陣列(FPGA)來完成高階的液晶顯示器圖形解決方案，以支援多個顯示器和各種類型的處理器，面對不斷變化的市場標準並迅速地把握各種時機。以下是針對嵌入式液晶顯示器(LCD)控制應用的一些重要要求，並透過FPGA來滿足這些要求的優勢。
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對於驅動介面和時序，顯示器市場還沒有明確的標準，因此用單一視訊控制器驅動不同的顯示器有很大的靈活性。根據實際應用，可程式設計邏輯對實現不同的位元流提供靈活性，配置FPGA以便用同一個視訊控制器支援多個液晶顯示器。 |
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HMI的應用範圍從超低成本的自動販售機消費應用到複雜的工業產品、海事和汽車控制台。FPGA提供無縫的支援，採用相同的IP塊，可支援從小的低成本FPGA元件驅動低成本的QVGA薄膜電晶體(TFT)，到具有80MHz視訊時脈的超高性能、高畫質的WSXGA顯示器。 |
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HMI應用須讀取不同層的多個框架緩衝區域，然後將其混合到單一圖像中，這樣在顯示控制器內獲得複雜的圖形效果。由於FPGA固有的並行性，可程式設計邏輯平台能夠以較低的成本實現，否則就必須採用昂貴的處理器。
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從基本的BitBlt到高階的Porter-Duff alpha混合操作，高階的人機介面應用需要先進的圖像合成與功能。基於FPGA的加速引擎，可以很容易地執行圖形加速功能。 |
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透過FPGA中的可程式設計暫存器，設計成提供完整的顯示驅動訊號的控制，讓顯示驅動適用不同的標準如鏡後測光(TTL)或低電壓差動訊號(LVDS)、改變時脈頻率、改變不同的控制訊號的時序和不同的色位元結構，因此可程式設計邏輯提供高效率的設計功能。FPGA能夠方便地整合TFT LCD時序控制器(TCON)，並控制顯示上電時序和其他的類比電路。 |
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HMI應用依賴高頻寬幀(Frame)緩衝記憶體控制器，以外部的記憶體支援幀緩衝存放區。可程式設計邏輯能夠實現強大的記憶體控制器，用於不同類型的記憶體，保護製造商在FPGA平台上的投資。而處理器過時是另一個問題，可程式設計邏輯提供了重要的投資保護措施。透過通用序列匯流排(USB)、串列周邊介面(SPI)或標準的介面，FPGA可靈活地實現處理器的介面，因此很容易改變處理器，或整合設計人員選擇的處理器。 |
圖1展示了在FPGA中實現的典型的嵌入式顯示控制設備。從這個例子中可以看出FPGA的功能，嵌入的顯示控制設備與主機系統或執行控制任務的處理器，及顯示輸出的觸控式螢幕液晶面板進行通訊。它提供與顯示頁面儲存和更新的DDR記憶體介面，具有即時外部視訊覆蓋的視訊輸入流。主機系統監控各種狀態，並向FPGA發出命令。針對視訊控制、圖形加速、觸控式螢幕介面控制、視訊輸入縮放、剪裁和定位，並透過SPI實施外設擴展，FPGA因而實現各種進階功能。
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| 圖1 用FPGA實現的嵌入式顯示控制設備 |
FPGA進駐自動販賣機
在過去的幾年中，自動販賣機已經歷了重大的變化。傳統自動販賣機的使用者介面上使用的是低成本的字元LCD顯示器和機械按鈕。現在新一代創新的獨立自動販賣機則擁有螢幕文字與視訊的彩色顯示器，整合內置的液晶面板，有展示產品資訊、直覺的介面和廣告的觸控式螢幕。自動販賣機仍在不斷發展，整合不同的付款系統和圖形化使用者介面。
製造商需要一種創新的圖形液晶觸控式螢幕人機介面，擁有產品選擇和視訊廣告的功能。這個應用要求一個可程式化的視訊控制器，以支援大範圍的觸控式螢幕TFT、具備不同解析度的可升級機器系列，以及整合的觸控式螢幕控制器。製造商需要一種低成本嵌入式介面，支援子母畫面(PIP)、Splash圖像視覺，由外部微控制器控制的OSD(On Screen Display)，以及針對產品廣告的視訊。
自動販賣機製造商可以擁有生產線，但範圍涵蓋僅支援基本字元或「文字」液晶顯示器之極低成本機器，到提供視訊播放功能的大型TFT液晶顯示幕的高階機種。機器通常使用具有簡單輸入/輸出(I/O)和付款系統介面的微控制器。而製造商的主要問題在於須為所有類型的顯示器之自動販賣機保留同一個控制器。
圖2顯示出製造商的傳統和高階顯示介面的要求，其中，製造商採用萊迪思(Lattice)的LCD-Pro評估套件和基於FPGA的外掛程式參考設計實例，得以迅速開發SPI驅動程式來管理圖形周邊設備。視訊控制器用於驅動低成本的TFT 16:9 480×272畫素。類比-數位(A-D)、數位-類比(D-A)控制器IP用於和低成本的四線類比電阻式觸控式螢幕控制器介面。嵌入式NOR快閃記憶體用於儲存點陣圖應用的圖片和幀。SPI從端(Slave)IP在基於FPGA的視訊平台和嵌入式微控制器間建立低成本的介面。基於FPGA的增強圖形加速器用於BitBlt單色畫面和文字，並在螢幕上的不同位置再次產生點陣圖。BitBlt技術也被用來為廣告製作嵌入式點陣圖動畫影片。
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| 圖2 傳統的與高階的自動販賣機顯示器介面 |
整合式視訊控制器不敷所需
擁有整合式視訊控制器的系統單晶片(SoC)的主要優點是成本非常低。然而，驅動不同類型的TFT需要一些介面，但SoC沒有提供這些介面標準。此外，整合式的視訊控制器不適合所有的液晶顯示模式，需要額外的邏輯。應用軟體往往須要根據實際要求做出重大的修改。此外，SoC中整合式的視訊控制器沒有足夠的功率來支應製造商整合廣告動畫的需求。
製造商對自動販賣機應用的主要要求是須有優異的性能，且支援廣告系統，並已測試過嵌入式的個人電腦(PC)平台，英特爾(Intel)的凌動(Atom)平台被證明過於昂貴。此外，在製造商現有的嵌入文字顯示的機器須要完全修改應用軟體。嵌入式PC平台不適合驅動小型的TFT顯示幕，且不適合當作由小至大的顯示器的單一標準化平台。此外，對無人看管但不斷有人使用的機器而言，具有傳統作業系統的x86平台不夠穩定。反觀FPGA具有的靈活性和性能，製造商能夠滿足設計目標，支援多種類型的顯示器、靈活的解決方案及高階的圖形，可同時滿足優化成本的目標，透過在FPGA中使用可配置的智慧財產權，將產品快速推向市場。
評估平台可加快樣機的研製
對於嵌入式顯示器的應用，評估平台正成為設計人員所使用工具的重要組成部分。如今，人機介面系統設計人員要求評估平台必須擁有完整的高階觸控式螢幕視訊圖形、可採用的參考設計、彩色觸控式螢幕顯示器、彩色視訊攝像機，以及電源和電纜。除了參考設計外，設計人員還喜歡公開地查詢所有的FPGA資源。軟體須支援各種需求，包括使用微軟(Microsoft)Visual Studio支援新建自訂的螢幕，以及支援覆蓋BitBlt圖形，透過DirectDraw工具可以與Windows CE作業系統共存。從事自動販賣機開發的製造商使用萊迪思的LCD-Pro高階視訊圖形控制器，此基於LatticeECP2 FPGA的嵌入式顯示器評估平台，可快速進行樣機的研製，加速產品開發。
嵌入式顯示應用必須支援多個顯示器和處理器，同時在工業、汽車和自動販賣機的環境中滿足設備的長生命週期的需求。設計人員往往需要生產線能夠支援從超低成本到高階HMI的應用。可程式設計邏輯擁有靈活性和計算功能，能夠在複雜的嵌入式控制應用中提供所需的高性能圖形顯示，而不依賴昂貴的處理器和軟體。針對成本或性能，模組化和配置選項能夠提供有效、靈活的解決方案和優化。
(本文作者任職於萊迪思)