STM32H750通过LTDC/DMA2D控制LCD的编程方法

1.1. 液晶显示器

液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display)，相对于上一代CRT显示器(阴极射线管显示器)，LCD显示器具有功耗低、体积小、承载的信息量大及不伤眼的优点，因而它成为了现在的主流电子显示设备，其中包括电视、电脑显示器、手机屏幕及各种嵌入式设备的显示器。下图是液晶电视与CRT电视的外观对比，很明显液晶电视更薄，“时尚”是液晶电视给人的第一印象，而CRT 电视则感觉很“笨重”。

液晶电视及CRT电视

液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则，因此取名液晶。 如果给液晶施加电场，会改变它的分子排列，从而改变光线的传播方向，配合偏振光片，它就具有控制光线透过率的作用，再配合彩色滤光片，改变加给液晶电压大小， 就能改变某一颜色透光量的多少， 液晶屏的显示结构  中的就是绿色显示结构。利用这种原理，做出可控红、绿、蓝光输出强度的显示结构， 把三种显示结构组成一个显示单位，通过控制红绿蓝的强度，可以使该单位混合输出不同的色彩，这样的一个显示单位被称为像素。

液晶屏的绿色显示结构

注意液晶本身是不发光的，所以需要有一个背光灯提供光源，光线经过一系列处理过程才到输出，所以输出的光线强度是要比光源的强度低很多的，比较浪费能源(当然，比CRT显示器还是节能多了)。而且这些处理过程会导致显示方向比较窄，也就是它的视角较小，从侧面看屏幕会看不清它的显示内容。另外，输出的色彩变换时，液晶分子转动也需要消耗一定的时间，导致屏幕的响应速度低。

1.2. LED和OLED显示器

LED点阵显示器不存在以上液晶显示器的问题，LED点阵彩色显示器的单个像素点内包含红绿蓝三色LED灯，显示原理类似我们实验板上的LED彩灯， 通过控制红绿蓝颜色的强度进行混色，实现全彩颜色输出，多个像素点构成一个屏幕。由于每个像素点都是LED灯自发光的， 所以在户外白天也显示得非常清晰，但由于LED灯体积较大，导致屏幕的像素密度低，所以它一般只适合用于广场上的巨型显示器。 相对来说，单色的LED点阵显示器应用得更广泛，如公交车上的信息展示牌、店招等，见  LED点阵彩屏有LED单色显示屏。

LED点阵彩屏有LED单色显示屏

新一代的OLED显示器与LED点阵彩色显示器的原理类似，但由于它采用的像素单元是“有机发光二极管”(Organic Light Emitting Diode)，所以像素密度比普通LED点阵显示器高得多，见  OLED像素结构。

OLED像素结构

OLED显示器不需要背光源、对比度高、轻薄、视角广及响应速度快等优点。待到生产工艺更加成熟时，必将取代现在液晶显示器的地位，见图。

采用OLED屏幕的电视及智能手表

1.3. 显示器的基本参数

不管是哪一种显示器，都有一定的参数用于描述它们的特性，各个参数介绍如下：

1. 像素

   像素是组成图像的最基本单元要素，显示器的像素指它成像最小的点，即前面讲解液晶原理中提到的一个显示单元。

2. 分辨率

   一些嵌入式设备的显示器常常以“行像素值x列像素值”表示屏幕的分辨率。如分辨率800x480表示该显示器的每一行有800个像素点，每一列有480个像素点，也可理解为有800列，480行。

3. 色彩深度

   色彩深度指显示器的每个像素点能表示多少种颜色，一般用“位”(bit)来表示。如单色屏的每个像素点能表示亮或灭两种状态(即实际上能显示2种颜色)，用1个数据位就可以表示像素点的所有状态，所以它的色彩深度为1bit，其它常见的显示屏色深为16bit、24bit。

4. 显示器尺寸

   显示器的大小一般以英寸表示，如5英寸、21英寸、24英寸等，这个长度是指屏幕对角线的长度， 通过显示器的对角线长度及长宽比可确定显示器的实际长宽尺寸。

5. 点距

   点距指两个相邻像素点之间的距离，它会影响画质的细腻度及观看距离，相同尺寸的屏幕，若分辨率越高，则点距越小，画质越细腻。如现在有些手机的屏幕分辨率比电脑显示器的还大，这是手机屏幕点距小的原因；LED点阵显示屏的点距一般都比较大，所以适合远距离观看。

2.1. 液晶面板的控制信号

本章我们主要讲解控制液晶面板（不带控制器），液晶面板的控制信号线见表 27‑1。

表 27‑1 液晶面板的信号线

1. RGB信号线

   RGB信号线各有8根，分别用于表示液晶屏一个像素点的红、绿、蓝颜色分量。使用红绿蓝颜色分量来表示颜色是一种通用的做法，打开Windows系统自带的画板调色工具， 可看到颜色的红绿蓝分量值，见图  颜色表示法。常见的颜色表示会在“RGB”后面附带各个颜色分量值的数据位数， 如RGB565表示红绿蓝的数据线数分别为5、6、5根，一共为16个数据位，可表示216种颜色； 而这个液晶屏的种颜色分量的数据线都有8根，所以它支持RGB888格式，一共24位数据线，可表示的颜色为224种。

颜色表示法

2. 同步时钟信号CLK

   液晶屏与外部使用同步通讯方式，以CLK信号作为同步时钟，在同步时钟的驱动下，每个时钟传输一个像素点数据。

3. 水平同步信号HSYNC

   水平同步信号HSYNC(Horizontal Sync)用于表示液晶屏一行像素数据的传输结束，每传输完成液晶屏的一行像素数据时，HSYNC会发生电平跳变，如分辨率为800x480的显示屏(800列，480行)，传输一帧的图像HSYNC的电平会跳变480次。

4. 垂直同步信号VSYNC

   垂直同步信号VSYNC(Vertical Sync)用于表示液晶屏一帧像素数据的传输结束，每传输完成一帧像素数据时，VSYNC会发生电平跳变。其中“帧”是图像的单位，一幅图像称为一帧，在液晶屏中，一帧指一个完整屏液晶像素点。人们常常用“帧/秒”来表示液晶屏的刷新特性，即液晶屏每秒可以显示多少帧图像，如液晶屏以60帧/秒的速率运行时，VSYNC每秒钟电平会跳变60次。

5. 数据使能信号DE

   数据使能信号DE(Data Enable)用于表示数据的有效性，当DE信号线为高电平时，RGB信号线表示的数据有效。

2.2. 液晶数据传输时序

通过上述信号线向液晶屏传输像素数据时，各信号线的时序见图  液晶时序图。 图中表示的是向液晶屏传输一帧图像数据的时序，中间省略了多行及多个像素点。

液晶时序图

液晶屏显示的图像可看作一个矩形，结合图  液晶数据传输图解 来理解。液晶屏有一个显示指针，它指向将要显示的像素。 显示指针的扫描方向方向从左到右、从上到下，一个像素点一个像素点地描绘图形。这些像素点的数据通过RGB数据线传输至液晶屏， 它们在同步时钟CLK的驱动下一个一个地传输到液晶屏中，交给显示指针，传输完成一行时， 水平同步信号HSYNC电平跳变一次，而传输完一帧时VSYNC电平跳变一次。

液晶数据传输图解

但是，液晶显示指针在行与行之间，帧与帧之间切换时需要延时，而且HSYNC及VSYNC信号本身也有宽度，这些时间参数说明见表 27‑2。

表 27‑2 液晶通讯中的时间参数

在这些时间参数控制的区域，数据使能信号线“DE”都为低电平，RGB数据线的信号无效，当“DE”为高电平时，表示的数据有效，传输的数据会直接影响液晶屏的显示区域。

2.3. 显存

液晶屏中的每个像素点都是数据，在实际应用中需要把每个像素点的数据缓存起来，再传输给液晶屏，这种存储显示数据的存储器被称为显存。显存一般至少要能存储液晶屏的一帧显示数据，如分辨率为800x480的液晶屏，使用RGB888格式显示，它的一帧显示数据大小为：3x800x480=1152000字节；若使用RGB565格式显示，一帧显示数据大小为：2x800x480=768000字节。

3.1. 图像数据混合

LTDC外设支持2层数据混合，混合前使用2层数据源，分别为前景层和背景层，见图  图像的分层与混合。在输出时，实际上液晶屏只能显示一层图像，所以LTDC在输出数据到液晶屏前需要把2层图像混合成一层，跟Photoshop软件的分层合成图片过程类似。混合时，直接用前景层中的不透明像素替换相同位置的背景像素；而前景层中透明像素的位置，则使用背景的像素数据，即显示背景层的像素。

图像的分层与混合

如果想使用图像混合功能，前景层必须使用包含透明的像素格式，如ARGB1555或ARGB8888。其中ARGB1555使用1个数据位表示透明元素，它只能表示像素是透明或不透明，当最高位(即“A”位)为1时，表示这是一个不透明的像素，具体颜色值为RGB位表示的颜色，而当最高位为0时，表示这是一个完全透明的像素，RGB位的数据无效；而ARGB8888的像素格式使用8个数据位表示透明元素，它使用高8位表示“透明度”(即代表“A”的8个数据位)，若A的值为“0xFF”，则表示这个像素完全不透明，若A的值为“0x00”则表示这个像素完全透明，介于它们之间的值表示其RGB颜色不同程度的透明度，即混合后背景像素根据这个值按比例来表示。

注意液晶屏本身是没有透明度概念的，如24位液晶屏的像素数据格式是RGB888，RGB颜色各有对应的8根数据线，不存在用于表示透明度的数据线，所以实际上ARGB只是针对内部分层数据处理的格式，最终经过混合运算得出直接颜色数据RGB888才能交给液晶屏显示。

3.2. LTDC结构框图剖析

下图是LTDC控制器的结构框图，它主要包含信号线、图像处理单元、寄存器及时钟信号。

LTDC控制器框图

3.2.1. LTDC信号线

LTDC的控制信号线与液晶显示面板的数据线一一对应，包含有RGB各8根数据线、HSYNC、VSYNC、DE及CLK。设计硬件时把液晶面板与STM32对应的这些引脚连接起来即可，查阅《STM32F7xx规格书》可知LTDC信号线对应的引脚，见表 27‑3。

表 27‑3 LTDC引脚表

引脚号	LTDC信号	引脚号	LTDC信号	引脚号	LTDC信号	引脚号	LTDC信号
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