（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga液晶控制器设计与实现.pdf

t 1 y 8 7 6 16 二 摘要 现代社会，以计算机技术为核心的信息技术迅速发展，以及信息的爆炸式增长， 人类获得的视觉信息很大部分是从各种各样的电子显示器件上获得的，对这些显 示器件的要求也越来越高，在这些因素的驱动下，显示技术也取得了飞速的发展。 使用f p g a c p l d 设计的液晶控制器具有很高的灵活性，可以根据不同的液晶类型、 尺寸、使用场合特别是不同的工业产品，做一些特殊的设计，以最小的代价满足 系统的要求，而且可以解决通用的液晶显示控制器本身固有的一些缺点。 本文介绍了一个采用f p g a 设计的液晶显示控制器，主要包含了以下内容：采 用c y c l o n e 芯片设计的液晶控制器以及该控制器应用在注塑机控制电脑上位机的 硬件设计；采用硬件描述语言进行的液晶显示控制器设计，、重点介绍了如何通过 特殊设计控制器与c p u 协调的工作，驱动系统所需时序信号是如何产生，s t n 液晶 彩色屏灰度显示的时间抖动算法和帧率控制原理及实现，显示数据的缓冲、转化 方法，使用f p g a 设计的用于本系统的特殊s d r a m 控制器，以及液晶控制器通过该 s d r a m 控制器进行显示缓冲器的管理，还有很重要的点是各个模块之间的同步处 理；最后还介绍了该液晶控制器在注塑机智能控制器中的应用。 这款使液晶控制器在实际中的使用效果证明了本课题介绍的液晶控制器方案 是一个非常可行的，具有广泛的通用性。 关键词：液晶控制器、s d r a m 控制器、时序信号发生器、灰度显示、时间抖动算法 a b s t r a c t d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ， a n di n f o r m a t i o ne x p l o s j o n ， p e o p l en o wg e tm o s t o ft h ev i s u a li n f o r m a t i o nf r o lv a r i o u se l e c t r o n i ce q u i p m e 兀t s ，a n dp e o p l e d e m a n dh i g ha n dh i g hq u a l i t yf o rt h e s ed i s p l a ye q u i p m e n t ，a sar e s u l to f t h e s e ，t e c h n 0 1 0 9 yo fd i s p l a ym a k eag r e a td e v e l o p m e n t ，n o to n l yi nt h el c d i t s e l f ， b u ta l s oi nt h ed r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fl c d t h e l c d c o n t r o l l e rd e s i g n e dw i t hf p g a c p l dh a sh i g hf l e x i b i l i t y ，i tc a nb ee a s i l y m o d i f i e da c c o r d i n gt ot h et y p ea n ds i z eo fl c d ，a n dw ec a nf u l f illt h ed e m a n d o fs y s t e mi nl o wc o s t ，a n dw ec a no v e r c o m es o m es h o r t a g eo fu n iv e r s a ll c d c o n t r 0 1 l e rt h r o u g hs p e c i a ld e s i g n i n g t h i st e x td e s c r i b eai ，c dc o n t r o l l e rd e s i g n i n gw i t hf p g a ，i tm a i n l y i n c l u d et h ef o l l o w i n gt o p i c ：t h eh a r d w a r ed e s i g n i n go fl c dc o n t r d l l e rw i t h f p g aa n dt h ec o n t r o lp a n e lo fp l a s t i ci n j e c t i o nr r l a c h i n ew h i c hw a sd e s i g n e d w i t ht h i sl c dc o n t r 0 1 1 e r ；t h ed e s i g n i n go fl c dc o n t r 0 1 l e rw i t hh d la n de d a ， h o wt od e s i g nt h ei n t e r f a c ep a r tt os u p p l yac o n v e n i e n ti n t e r f a c et ot h e c p u ， 1 ，h e d e s i g n i n go fp u l s es i g n a lg e n e r a t o r ， t h et i m e 咱a s e dd i 曲e r i n g a l g o r i t h ma n df r c ( f r a m er a t ec o n t r 0 1 ) m e t h o d ， t h ea l g o r i t h mo ft r a n s f o r m t h ef o r mo fd i s p l a yd a t aa n db u f f e r i n gt h ed a t a ， t h ed e s i g n i n go fs d r a m c o n t r o l l e ra n dh o w t o m a 订a g e r t h ed i s p l a yb u f f e r w i t h t h i ss d r a mc o n t r o l l e r ， a n dh o wt os y n c h r o n i z et h es i g n a lb e t w e e nd if f e r e n tp a r t s ；i nt h 仑1 a s tp a r t o ft h et e x t ，i td e s c r i b et h ed e s i g n i n go fap l a s t jci n j e c t o rm a c h i n ew i t h t h isl c dc o n t r o l1 e r f i n a l l y ，t h ed e s i g n i n go fp l a s t i ci n j e c t i o nm a n m c h i n ei n t e r f a c ew i t h t h i sl c dc o n t r 0 1 l e rs h o w t h a ti ti sq u i t eag o o dm e a s u r e k e yw o r d s ： l c dc o n t r 0 1 l e r ，s d r a mc o n t r o l l e r ， p u l s es i g n a lg e n e r a t o r g r a d a t i o nd i s p l a y ，t i m e b a s e dd i t h e r i n ga l g o r i t h m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 十九世纪末，奥地利植物学家莱尼茨和德国物理学家列曼发现了液晶，迄 今已一百余年。液晶( l i q u i dc r y s t a l ) 是一种介于固态和液态之间的物质，是具 有规则性分子排列的有机化合物。如果把它加热会呈现透明的液体状态，把它冷 却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种： 类似粘土状的s m e e t i c 液晶，类似细火柴棒的n e m a t i c 液晶和类似胆固醇状的 c h 0 1 e s t i c 液晶。这三种液晶的物理特性各不相同，用于液晶显示器的是第二类的 n ej 】a t i c 液晶，采用此类液晶制造的液晶显示器被称为了l c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l & y ) 。同属于彩色液晶显示的范畴，它们有两种显示方式： 低成本的d s t n ( d u a 卜s c a nt w i s t e dn e m a t i c ，双扫描螺旋液晶) 技术： 高画质的t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ，薄膜晶体管) 技术。 液晶具有低电压、微功耗、易彩色化、被动显示等特点，其显示器种类非常繁 多，屏幕面积从几平方毫米到近一平方米，液晶显示方式可分为直视式显示、投 影显示及虚拟式显示。自从1 9 6 8 年美国r c a 公司研制出了世界上第一个液晶显示 器件( 简称l c d ) 以来，现已广泛应用于钟表、计算器、家用电器、音响设备、计测 器、医疗器械、计算机终端、电视电话、办公室自动化设备、工业自动化控制、 汽车和飞机仪表、通讯设备、照相机、大型平面信息和图象显示，平板电视以及 军用液晶显示器等领域。 1 2 课题来源 随着社会的进步，个人消费以及工业产品的要求也在不断的提升，作为这些产 品的重要的人机交互工具的液晶无论在色彩上还是在屏幕的尺寸( 点阵数) 上都 有很大水平的提高。两三年前我们用的手机可能大多数都还是黑白屏幕，而在当 今的手机市场上你已经找不到黑白屏的手机，同样在工业产品上比如说注塑机， 四五年前开发的注塑机使用的是1 2 8 丰6 4 的液晶模块，一两年之后市场上出现的一 般都是2 4 0 1 2 8 点阵的液晶显示器，随之使用3 2 0 2 4 0 黑白液晶模块开发的注塑机 控制器很快也进入市场，现在很多产家都使用更大屏幕彩色液晶屏开发注塑机。 瞄准未来，随着这些工业设备工艺水平的提高，人机交互复杂，信息量越来越大， 以及操作需求的提高，我们完全有必要使用更多点阵( 比如说6 4 0 木4 8 0 ) 色彩质量 更佳( 比如说从原来的s t n l c d 改成t f t l c d ) 。 1 2 1 关于一些液晶显示解决方案的比较 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 由于产品的升级，使用新的液晶屏可能会导致原先的液晶控制器无法控制新的 液晶屏，比如说广为使用的一款液晶控制器s e d l 3 3 5 在控制3 2 0 术2 4 0 点阵或者更 小的单色液晶屏上没有什么大问题，但是一旦使用彩屏或者更多点阵的液晶屏就 需要更换别的液晶控制器，而且不同的液晶控制器在驱动程序上一般都不大一样， 意味着的重新修改程序。而且这些通用液晶控制器芯片一般为了有更大的市场， 有很多的功能，因而价格上都非常昂贵，但是实际上很大一部分功能不为我们具 体开发所用。 本文作者在多个项目中都使用到液晶显示器进行开发，接下来结合一下本人的 实际经验和相关的知识，来探讨一下我们为什么选择采用c p l d f p g a 设计液晶显 示控制器这个方案。 在开发空气压缩机控制器中，本文作者使用至一款1 9 2 书6 4 的液晶显示模块，这 款液晶显示模块显示驱动系统主要是由三片h d 6 1 2 0 2 和一片h d 6 1 2 0 3 构成。h d 6 1 2 0 2 及其兼容液晶显示控制驱动器是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器，它可 与h d 6 1 2 0 3 配合对液晶屏进行行、列驱动。h d 6 1 2 0 2 及其兼容控制驱动器芯片内置 6 4 6 4 = 4 0 9 6 位显示r a m ，因而我们不需要另加显示缓冲器，r a m 中每位数据对应l c d 屏上一个点的亮暗状态，每个列驱动器具有6 4 路列驱动输出，三片这样的芯片就 可以驱动1 9 2 个点阵，其读写操作时序为m 6 8 0 0 操作时序，因而它可直接与6 8 系列 微处理器接口相连，如果是i n t e l 8 0 8 0 操作时序芯片对这款芯片进行读写就需要一 个逻辑电路将m 6 8 0 0 时序转化为i n t e l 8 0 8 0 操作时序。h d 6 1 2 0 2 芯片是一款典型的液 晶显示驱动控制器，c p u 通过它可以直接控制液晶的显示，而不需要液晶控制器， 使用方便，但是我们也可以看到这样的显示驱动控制器一般只适用于小尺寸的单 色屏。 在开发之前的一款注塑机控制电脑中，本文作者使用了一款3 2 0 $ 2 4 0 的单色显 示屏，使用的液晶显示控制器是s e d l 3 3 5 。s e d l 3 3 5 是日本s e i k o e p s o n 公司生产的 图形液晶控制器，它在同类产品中功能是最强的，具有较强功能的i o 缓冲器，功 能丰富的指令，支持字符、图形合成显示，作图功能强，支持多屏图形合成及滚 屏模式，最大驱动能力达到6 4 0 x 2 5 6 点阵。因而这款液晶控制器具有相当广泛的 应用场合，适合中小型单色液晶屏的控制。但是一旦我们要控制的屏更大了，比 如说如果我们要使用6 4 0 4 8 0 的液晶屏，其驱动能力就不够了；同样我们要使用s t n 或者t f t 的彩色屏进行设备的开发，就只能寻找其他的控制器。 现在市场上可以选择的用于控制大屏幕的液晶屏单独的液晶显示控制器不是 太多，就是因为一般使用的量不太大，且功能比较齐全，一般在块芯片上集成 了很多的视屏解决方案，规模比较大，价格很昂贵。 目前对于大屏幕彩色液晶屏比较可行的方案一般是选择一款自身带有液晶控 制器的处理器，比如说s a n s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 信号的a r m 7 控制器内部就集成 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 了一个液晶控制器，设计上提供了很大的方便，而且在液晶显示上成本降低了， 但是其使用场合受到了很大的限制。 1 驱动点阵上会受到一定的限制； 2 显示的色彩方面也受到显示，比如说s 3 c 4 4 8 0 x 无法支持t f t 屏的显示： 3 s 3 c 4 4 b o x 的液晶控制器显示数据传输宽度最多支持8 位，但是现在即使是 s t n 的屏，为了获得较高的扫描占空比以保证足够的显示亮度和对比度， 很多采用了双屏扫描，就需要更多的数据线，比如说1 6 位的宽度； 4 一般集成液晶控制器的处理器都是比较高端的产品，功能上也比较完备， 同时还需要配备其他的外围器件，即使是构建一个最小的系统，其总共价 格比较昂贵，对于有些设计可能处理器其主要的工作就是液晶显示，选择 这些带有l c d 控制器的高端的处理器设计有点杀鸡用牛刀的感慌： 5 一般一款c p u 的推出都是瞄准与特定的使用，比如说s 3 c 4 4 8 0 x 很大程度 上来说是面对p d a 等消费产品推出来的处理器，因而在支持音频、视频上 作了很大的工作，但是在工业应用的场合，其抗干扰性能不足的缺点就显 示出来，可以说这款芯片很难在恶劣环境下使用，而像a t m a l 公司的a r m 7 芯片虽具有很高的抗干扰性，但是在支持视频上的功能就不够，一般不会 集成液晶控制器； 鉴于以上的这些原因，我们在有些需要液晶显示的设计中不得不放弃这样的方 案。 1 2 2 使用c p l d f p g a 设计液晶控制器方案的提出及可行性分析 那么在上文所提到的那些专注于液晶显示的微机系统中还有什么更好的方案 昵? 我们可以使用c p l d f p g a 加上一个功能、规模相对比较小的微处理器来实现整 个系统，用c p l d f p g a 设计一个专用的液晶控制器，负责协助微处理器完成显示功 能。 c p l d f 、p g a 是一种可编程逻辑器件，可以根据具体的液晶显示器件设计驱动部， 不同类型的液晶显示完成具体的算法，提供相应的时序信号和数据信号，可以根 据不同微处理器设计出对应的接口部，适配不同的操作时序；使用c p l d f p g a 没计 液晶控制器除了能完成液晶控制器一般功能的同时，还可以通过些电路的设计 在很大程度上减轻微处理器的负担，让系统轻松的完成其显示任务，应该说在f p g a 面前，液晶屏的尺寸以及位数以及显示类型将不会存在问题。 c p l d 和f p g a 是8 0 年代中后期出现的，其特点是具有用户可编程的特性。利用 f p l d f p g a ，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用i c ，实现系统的集成， 从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。此外，c p l d f p g a 还具 有静态可重复编程或在线动态重构特性，使硬件的功能可以像软件一样通过编程 来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的灵活性和通用能力。目前可编程设计技术正处于高速发展的阶段，新型的 f p g a c p l d 规模越来越大，成本却越来越低。高性价比使可编程逻辑器件在硬件设 计领域扮演着日益重要的角色，以往f p g a c p l d 只有在通讯等对价格不是很敏感的 领域有较多的应用，现在很多消费以及工业产品领域中也都可以看到这些芯片的 身影。实际上上面提出由c p l d f p g a 加低端微处理器的方案在价格上对采用集成液 晶控制器的高端处理器的还是有一定上的成本优势。 与此同时，即使像s e d l 3 3 5 这样有着广泛使用场合的通用液晶控制器还有一些 无法解决的问题。s e d l 3 3 5 的芯片资料声明接口部具有功能较强的o 缓冲器，m p u 访问s e d l 3 3 5 不需判其“畦”，s e d l 3 3 5 随时准备接受m p u 的访问并及时地把m p u 发 来的指令、数据传输就位。液晶控制器满足实时处理c p u 的数据和命令，是以牺牲 内部显示扫描的数据读取周期为代价的，也就是要中断为显示驱动而读取显示数 据的操作。这样的话，如果c p u 对液晶操作量不大的情况下，由于人眼残留和之后 显影显示效果不会有什么影响，但是在显示的数据量比较大，m c u 频繁访问l c d 控 制器，以及多区联合显示时，驱动部访问显示缓冲器的频率也成倍增加，这时就 不可避免产生雪花现象。“忙”标志位寄存器b f 是一位只读寄存器，当b f = 1 时， 表示s e d l 3 3 5 正在向液晶显示模块传送有效显示数据，而是把这些数据和命令缓存 起来，在传送完一行有效显示数据到下一行传送开始之间的间隔内b f = 0 。如果我 们c p u 每次对液晶控制器操作是在传送两行数据之间的间隔，即b f = 0 情况下操作， 那么就不会打断驱动数据流，就不会影响显示效果，因而我们仍有必要去去读b f 状态判忙，但是有时候我们判到b f = o ，因为两行数据传输之问的间隔很短，c p u 要 写数据的时候b f 可能已经变为“1 ”，因而我们需要先不进行显示数据的传输，而 是做一个软件延时，延到下一个b f = o 再操作，即使这样仍然不能完全消除这种“雪 花”现象，而且增加c p u 操作液晶控制器的时间，更加重了c p u 的负担。本文作者 曾经作了这么一个改进：我们知道l p 信号下降沿将锁存一行显示数据，所以l p 的 下降沿标志着传输的结束，电路设计中把l p 信号直接连接到c p u 的一个中断，c p u 需要操作液晶时将数据准备好，然后进入休眠，利用l p 的下降沿产生中断唤醒单 片机，可以在第一时刻写入控制器，取得了很好的效果，并且节约了时问，但是 仍有少量的“雪花”。也就是说s e d l 3 3 5 的这个“瘤疾”很难根除。 而使用c p l d f p g a 设计的液晶控制器就可以解决这个问题，我们可以利用可编 程逻辑器件内部嵌入的r a m ，在接口部和驱动部都设有一定的数据缓冲区，并且通 过时钟的处理，驱动部传输数据和读取数据采用异步的方式，而不是在每次传输 数据都访问显示缓冲器，而且数据读取的时钟比驱动部传输时钟更高的频率，使 得驱动部占用总线时间比较少，这也给了接口部足够的总线占用时间。这样可以 彻底的解决诸如s e d l 3 3 5 上的“雪花”现象。 f p g a 还可以作为完善系统的一种有利手段，具有c p l d f p g a 的电路系统可以利 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 用其具有的可编程特点，可以在不修改电路情况下增加一些电路功能模块。比如 说单片机系统中传统的r s 一2 3 2 通讯是通过u a r t 来实现的，但是有些情况下系统这 种方式无法满足系统要求，比如说单片机一般都只有一个u a r t ，可系统可能有两 个或者更多的同步或者异步串行通讯要求。一种解决手段是采用单片机空余的i o 口来模拟串行通讯，这对单片机不管是软件还是硬件上都增加了负担，还有就是 在外部扩展串行通讯模块，可以是专门的串行通讯芯片也可以是具有串行通讯功 能的小型单片机，但这些都需要对系统进行大的修改，增大了系统的规模。如果 我们电路板上已经有了c p l d f p g a ，那么利用c p l d f p g a 剩余的逻辑单元和i o 口来 设计一个串行通讯口将是非常方便的，同时利用其内部的r a m 可以使这些串行口具 备一定的缓存，提高串行口的性能。 鉴于以上分析各种液晶显示解决方案的优缺点，我们看到c p l d f p g a 的方案有 其自身的优势，因此在开发的新一代的注塑机控制电脑的人机界面开发项目中， 解决项目的特点，我们确定了以c p l d f p g a + m c u 作为我们的解决方案。 1 3 本论文的主要工作 本论文主要介绍了一个基于f p g a 的液晶显示控制器的设计和实现。第一章绪 论中主要分析了现有的些视屏解决方案，提出了该方案的可行性和合理性：第 二章介绍了液晶显示及其驱动控制原理；第三章是关于硬件设计的内容，包括对 于可编程逻辑器件的了解，以及设计上的学习，以及该液晶控制器运用道具体系 统的设计；第四章介绍使用e d a 方式完成控制器的设计，包括接口部的设计，时 序脉冲信号的产生，时间抖动算法原理以及实现，s d r a m 控制器设计等等；第五章 是关于应用该液晶控制器设计注塑机控制电脑的人机界面的内容。 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 2 1 液晶显示机理 l c d 可以说是一种光线传送技术。液晶几乎是透明的物质，它有着近乎在液体 与固体之间的特性。当液晶的分子有秩序地排列在一起时，它就呈现固体特性， 光线可直接穿过它。2 0 世纪6 0 年代，科学家们发现可以用通电的方式改变液晶分 子的排列秩序，液晶材料就呈现液体性质，这时液晶材料对光线穿透有抑制作用。 可以通过这种方法控制液晶分子的透光率，其原理是通过一个有源滤波器来调整 固定强度的背景光线穿过液晶，从而使液晶板上可以显示出不同的图像。通过对 白色光线的简单过滤，得到红、绿、蓝3 种的基本原色，这就能构成显示的基本元 素像素。 大多数液晶材料在自然状态下都是一种分子化合物。液晶按照分子结构排列的 不同分为3 种粘土状的s m e c t i c 液晶、细柱形的n e 腿t i c 液晶和软胶胆固醇状的 c h 0 1 e s t i c 液晶。这3 种液晶的物理特性各不相同，第二类的细柱形的n e m a t i c 液晶 最适于用来制造液晶显示器。液晶分子会沿着一条中轴平行排列，为了可以控制 分子的列队，让它们保持一定的顺序，人们让液晶分子依附于更大一些的沟槽状 板的表面。液晶分子可以沿着沟槽滑动，在接触到沟槽的表面后会沿着沟糟的方 向顺序排列，因此如果沟槽之间紧密平行那么液晶分子的列队也可紧密平行。 l c d 就像三明治液晶夹在两块精细的沟槽扳之间，两个沟槽的方向互相保持9 0 。的 垂直。如果其中一个沟槽面板中的沟槽是按照南北方向并行排列的，那么与它相 对应的另一块沟槽板中的沟槽就是按照东西方向并行排列的。在两块沟槽板中的 液晶层被强迫扭盐成9 0 。排列，光线可以穿过分子队列和被扭曲9 0 。的液晶层。 此后美国无线电公司发现电压可以作用于液晶，电压可以使液晶分子重新排 列，并且可以抑制某些光线的发散方向。l c d 显示需要依靠偏振光器和光源，自然 的光谱可向任何角度发散，偏振滤光器可简单地控制光谱的发散方向。当上下两 个沟槽板表面之间呈一定的角度时，液晶随着两个不同的方向的表面进行排列， 这样发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋状液晶层，使穿过他的光线也发生了 扭曲。如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样将某 些得波段光线扭曲。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭曲的光线 就可以被还原，而没有发生扭曲的光线将被阻挡。通过这一过程，液晶屏幕能把 白色光线过滤成其他颜色，最终在屏幕上呈现出绚丽的色彩。 我们看到了显示器所呈现的绚丽色彩，而实际上液晶显示屏上各个像素所能显 示的颜色却只有三种，它们分别是r ( 红色) 、g ( 绿色) 和b ( 蓝色) 。这无数个细小的 像素紧密排列在一起的时候，肉眼观察到的就是这三种像素的混色。通过调节每 种像素的明暗度及不同的组合，就可以生成卅i 同的颜色。液晶屏所能生成的色彩 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 数量直接受到r g b 像素所能还原的亮度等级的制约。 为了让液晶屏幕显示所有的颜色，必须在有光和无光的通道之间加一个中间 层，这个变化的层可生成所有的颜色，可通过电压的驱动来完成液晶状态的转换。 液晶转化的速度随着驱动电压的增大而加快，因此这样完全可控制液晶层的透光 量。目前的液晶显示器中，每种原色都使用6 4 种不同的电压来表示，其使用6 b i t 二进制数处理而液晶显示器的对手c r t 可以使用2 5 6 种不同渐变表示每种原色， 使用8 b i t 的二进制数传输和处理。每个像素使用3 种原色表示，那我们就可以推算 出，在l c d 显示器最大可表示2 6 21 4 4 种颜色，即1 8 b i t 。真彩的c r t 显示器最高支 持1 67 7 72 1 6 种颜色，即2 4 b i t 。 下面是液晶面板的结构图。 图2 一l 液晶面板结构图 由于液晶自身的优点，如易于彩色化、无电磁辐射、长寿命、被动显示等，使 得液晶显示器具有很多适合人们使用的优点：画面色彩还原效果较之c r t 好，液晶 显示器的液晶技术可产生比一般映像管显示器更清晰、更精准的影像画质，与更 真实、更饱和的色彩呈现；电磁辐射很小，对人体安全无害，且保密性好；没有 眩光，眼睛不会感到劳累干涩：显示信息量大：节约能源等等。所以液晶显示器 取代c r t 是今后的发展趋势，液晶显示器业务在各个显示器厂商业务中都占有重要 位置。 尽管l c d 曾有自身的缺陷，如视角小，对比度较小等，但液晶显示高技术的发展 已证实，随着液晶材料和工艺技术的进步，新型l c d 器件正在不断完善。事实上， i 。c d 是世界上各种显示器件中发展最快、应用最广、最有前途的显示器件之一。 2 2 液晶显示驱动原理的分析 在液晶屏本身水平的提高的同时，液晶的控制驱动也在不断的发展。液晶显示 器件是一种典型的光电效应器件，我们眼睛所能在液晶表面上看到绚丽的图案， 这是我们看到的光学效应，那么从电子学角度来看液晶显示原理是什么呢? 那就 是：在外加电场的作用下具有偶极矩的液晶棒状分子排列上发生变化，使得通过 液晶显示器件的光被调制，从从而呈现明与暗或透明与不透明的显示效果。也就 是说液晶的每个显示像素由一个单独的电场控制，不同的像素在驱动信号“指挥” 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 下在显示屏上合成显示出各种字符，数字，以及各种各样的图形 液晶的显示效果是由于在显示像素上施加了电场的缘故，这个电场是显示像素 前后两电极上的电位信号差所产生，每个显示像素的显示状态是由施加在这个显 示像素上的电场决定。在显示像素两极建立直流电场是件很容易的事情，但长期 施加直流电场将会液晶材料发生化学反应和电极老化，从而迅速降低液晶器件的 使用寿命因此必须建立交流驱动电场，并要求在这个交流电场中的直流分量越小 越好，通常要求直流分量小于5 0 0 m v 。现在液晶显示驱动器是全数字集成电路，所 以要求这种交流驱动是以脉冲电压形式产生的。 液晶显示像素上的交流电场的强弱是用交流电场的有效值来表示，当有效值大 于液晶的阈值电压时，像素产生电光效应，呈点亮状态；当有效值小于阈值电压 是，像素不产生电光效应而呈现熄灭状态。当有效值在阚值电压附近时，液晶将 呈现较弱的电光效应，导致显示器件的显示对比度降低，显示效果不佳。因此液 晶显示驱动器要能够控制驱动输出的电压幅值，以实现对显示对比度的控制。在 一般的使用到液晶显示屏的系统中，液晶的驱动电压都是可调的，就是满足了这 种要求 常用于液晶显示器件上的驱动方法有静态驱动和动态驱动两种。下面详细介绍 一下这两种驱动方法的原理及其电路的构成原理和特性。 1 静态驱动方式 在静态驱动的液晶显示器件上，比如说用于显示数字一个8 字段模块，各液晶 像素的背电极b p 是连在一起引出的，而8 个字段像素的段电极s e g 分别引出，如 图( 2 2 ) 所示。 图2 28 段液晶显示电极结构图 我们在背电极b p 施加一个5 v 的正电压，如果我们在字段f 的段电极施加一个 o v 的电压，那么这个显示像素的两极电场是s e g f - b p 一5 v ，就有了光电效应，呈 显示状态；如果我们在字段e 的段电极施加了5 v 的电压，那么由于像素的两极电 压是s e g e b p = 0 v ，无法产生光电效应，呈不显示状态。由于上面介绍的出于延长 使用寿命的需要，要求在像素两极建立交流电场，所以在另一段时间，我们在背 极b p 上施加o v 电压，所以在需要显示的像素( 如字段f ) 的段电极施加5 v 电压， 这样像素两极电压差为s e g f b p = 5 v ，该像素呈显示状态，在不要显示的像素( 如 字段e ) 的段电极施加o v 电压，像素两极电压差为s e g e b p = 0 v ，象素呈不显示状 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 态。而且各像素的平均电压为o v 。 那么在上面的原理是如何实现的呢? 我们在背电极b p 上施加一个正脉冲序 列，在需要显示的像素段电极上加入与背电极脉冲相位差为1 8 0 。的等幅正脉冲序 列，于是在该像素上产生5 v 或者一5 v 的显示驱动脉冲序列；在不显示的像素的段 电极上加入一个与背电极脉冲圊相位的等幅正脉冲序列，在该像素上产生o v 的电 压差，从而形成液晶显示的交流驱动。这就是液晶显示的静态驱动方式。波形如 图( 2 3 ) 所示 接下来再来看看上面的驱动原理在电路上的实现，这个还是比较简单的，主要 是通过异或电路的逻辑原理，如图( 2 4 ) 所示：我们把异或电路用在一个液晶像 素的驱动上，使用一个振荡器通过分频器整形产生背电极b p 的驱动脉冲序列，直 接提供给背电极b p 上。并且将这个脉冲序列接到异或电路的一个输入端，而异或 电路另一个输入端就是控制电路输出，这里记为a ，异或电路电路的输出接到液晶 像素的段电极s e g 上。当a 为“l ”时，抑或电路输出与b p 反向的段电极脉冲， 当a 为“o ”时，输出与b p 同向德段电极脉冲。 岛p s e g f s 胁 b p s e g f b p s e g 8 二隧翻豳一 健豳。赡r l r f i f lf 1 胁1 a l c 姗 v 0 v v 0 v 图2 3 静态驱动波形图2 4 静态驱动电路原理图 2 动态驱动方式 当显示器件上的显示像素众多时，如点阵型液晶显示器件，若使用静态驱动结 构将会产生众多的引脚以及庞大的硬件驱动电路，这是不易实施的。液晶动态驱动 方式基本原理是这样的：把液晶显示器件的电极的制作与排布上作了加工，实施了 矩阵型结构，即把水平一组显示像素的背电极短接在一起引出，称之为行电极，又 称公共极，用c o m 符号表示：把纵向一组显示像素的段电极连在一起引出称之为段 电极，又称列电极，用s e g 表示。液晶屏上任一像素位置都由其所在的行与列唯一 确定。 液晶显示的动态驱动是循环的给每行电极施加选择脉冲，同时所有列电极给出 该行像素的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的驱动。这种 行扫描时逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶显示屏上呈现稳定的图像效 果。我们把液晶显示的扫描驱动方式称为动态驱动法，亦称多路寻址驱动法。 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 在一帧中每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为n ，扫描一帧的 时间是1 ，那么一行所占有的时间为一帧时间的1 n ，该值称为占空比系数。在同 等电压下，扫描行数的增多将使占空比下降，从而引起液晶像素上的变电场电压 的有效值下降，降低了显示质量。因而随着显示像素的增多，为了保证现时质量， 就需要适度的提高驱动电压以提高电场的电压有效值或采用双屏电极排布结构以 提高占空比系数。比如说同样的3 2 0 2 4 0 像素，或者6 4 0 4 8 0 像素的液晶屏，我 们都可以找到单屏扫描或者双屏扫描的屏，但是双屏扫描的屏往往具有更高的显 示对比度和亮度，显示效果要好。 我们接下来再看看液晶驱动器是怎么构成的。围绕着驱动电路，配合与t t l 兼容的逻辑电路锁存器和移位寄存器，构成了动态液晶驱动器，如图( 2 5 ) 所 示。驱动器主要分驱动电路和逻辑电路两部分，驱动电路部分是由两组“开关” 电路组成，完成液晶驱动功能。逻辑电路部分是以锁存器和移位寄存器为中心的 逻辑电路组成，逻辑电路部分完成驱动控制信号显示数据的传输，保持及控 制电平的转换。 在驱动器中，移位寄存器是用于完成显示数据传输的，它采用了串入并出寄存 器，并行输出连接到锁存器输入端。锁存器的输出功能是将工作电源从逻辑电源 转换成驱动电源。锁存器的内容作为驱动电压的选择信号直接控制液晶驱动电路 的输出电压。驱动器的工作原理为：移位寄存器在移位脉冲c p 的作用下将显示数 据移位传输，在传输完一行的数据之后，l p 脉冲的触发下，将移位寄存器的内容 锁存到锁存器中以控制驱动电路的开关状态，同时在l p 的作用下，行驱动器的移位 寄存器内数据移动一位，并在紧接的c p 作用下( 作为锁存信号) 进入锁存器内以更 新扫描行。在交流驱动波形m 的变换下，驱动输出将产生不同的驱动脉冲序列， 从而实现对液晶像素的驱动。 交流渡形m 镀存脉冲l p 数器输人 移位璩冲c p y 1 一一2 一y n 图2 5 液晶动态驱动原理图 在驱动较大规模的液晶显示器件时，l 位串行传输方式的速度上可能就满足不 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 了要求，所以对移位寄存器进行了一些修改，这种移位寄存器的数据线为4 8 位 并行输入口。数据在移位寄存器内仍以串行方式传输，不过这是以4 8 位的形式 进行传输，速度提高到了原先的4 8 倍。 驱动器主要有以下这些信号： 显示数据 d i n d 0 n 显示数据的输入输出端口，作用于移位寄存器： 移位脉冲 c p 显示数据的移位脉冲信号，作用于移位寄存器； 锁存脉冲 l p 显示数据的锁存信号，作用于数据锁存器； 帧信号 f r m 在动态驱动中用于选择显示行，在l p 的作用下锁存到 行驱动器中； 交流驱动波形m交流驱动信号，作用于驱动电路； 液晶驱动电平v 1 v 6 液晶显示的驱动电源，作用于驱动电路； 驱动输出口y 1 y n 驱动器的液晶驱动输出端口，作用于驱动电路。 而现在的驱动系统一般是利用多片液晶驱动器组合而成的，通常包括有行驱动 器组，列驱动器组，偏压电路，驱动电源发生器以及温度补偿电路等。 2 3 液晶显示控制原理的分析 液晶显示驱动系统自身仅仅是一个被动系统，它还需要有控制电路提供驱动系 统所需要的显示数据和时序信号，包括数据移位信号，数据锁存脉冲信号，帧信号， 交流驱动波形等，这个控制电路是由专门集成电路组成，称为液晶显示控制器。 液晶显示控制器有两大作用：其一，顾名思义，控制器是为液晶显示提供时序信 号和显示数据，有了它，液晶显示系统才能称之为完整：其二，在计算机系统包括各 种各样的微机系统，液晶控制器是一种专业i c 芯片，专用于计算机与液晶显示系统 的接口控制器接受计算机的直接操作，并可以脱机独立控制液晶显示驱动系统， 从而解除了计算机在显示上的繁琐工作计算机通过对液晶显示控制器的操作，实 现了对液晶显示驱动扫描时序的设置和显示数据的写入，从而完成了对液晶显示 器件显示的操作 综合以上的这些特性，我们可以把控制器的特性简称为三部一集，即接口部、 控制部、区东部和指令集。 液晶显示控制器可分为两种：液晶显示驱动控制器和液晶显示控制器。 液晶显示驱动控制器可以说是驱动器的升格在驱动器内部增加控制器的 功能从而使液晶显示驱动器升格为专用的带有显示驱动输出的液晶显示控制器。 它在原有驱动功能的基础上增加了片内显示缓冲区及其管理能力；增加了振荡器 和时序发生器；增加了与计算机的接口电路和控制寄存器，从而形成了具备有一 定控制能力的液晶显示驱动控制器，从而形成了具备有一定控制能力的液晶显示 驱动控制器。具有如下的特点：驱动和控制融为一片，集成度高；片内缓冲区容 量有限，驱动液晶显示器件的规模有限，可以说比较小。 浙江大学硕士学位论文 箜三章液晶显示及其控制驱动机理分析 虽然液晶显示控制驱动器具有上面的优点，但是其显示功能和显示规模都受到 了很大的限制，控制能力限于小规模的液晶显示模块。液晶显示控制器将驱动器 和显示存储器置于片外，增加了显示存储器的容量，在片内增加了液晶显示的控 制功能，控制功能更强大，从而可以控制中、大规模的液晶显示模块。液晶显示 控制器的原理框图如图( 2 6 ) 所示。 接下来介绍一下液晶显示控制器各个组成部分的功能 1 ) 接口部 液晶显示控制器的接口部有指令寄存器译码器、数据缓冲器和状态字寄存器 以及相关的逻辑电路组成。它用来接收微处理器发送来的指令和数据，并向计算 机反馈所需的信息，包括可以读取显示缓冲器某个特定位置的显示数据以及液晶 控制器的状态。接口部有两个通道，一个是指令通道，即指令寄存器，它用来接 收并存储微处理器发送来的指令代码，通过译码器将该代码解译成逻辑信号，实 现液晶控制器的状态控制设置功能，它还可以作为参数寄存器的地址，选通相应 的参数寄存器；另一个是数据通道，即数据缓冲器，它由数据输入寄存器和输出 寄存器组成，数据输入寄存器用来接收计算机发来的指令参数和显示数据，数 图2 6 液晶显示控制器原理框图 据输出寄存器用来将显示存储器的数据和可读参数寄存器的数据送到微处理器的 数据总线上，供微处理器读取。 液晶控制器通常都具有自己的时钟，也就是说液晶控制器的工作不依赖于微处 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示及其控制驱动机理分析 理器的系统时钟，这样液晶显示控制器和微处理器在读写的时候就有一个握手的 过程。液晶控制器内部的状态寄存器一般都提供一个“忙”标志位，微处理器每 次读写液晶控制器之前都需要先去读这个位，判断液晶控制器是否为“忙”只有 在液晶控制器不“忙”时候的时候才可以对液晶控制器进行读写，否则继续查询。 2 ) 驱动部 驱动部是液晶显示控制器与液晶显示驱动系统的接口。时序发生器产生基础时 钟提供给显示时序电路，显示时序电路产生显示时序脉冲序列提供给驱动部。这 些时序信号作为控制脉冲向液晶显示驱动系统输出，也作为显示数据传输的同步 信号控制数据传输通道。主要有以下的驱动信号： f r m 一帧信号，行驱动器移位锁存这个信号，用于选择显示行，当这个信号 置高电平时，表示开始显示一帧画面的第一行，非第一行显示时则为低电平。 c p 数据移位脉冲信号，控制数据从控制器输出，以及显示数据在列驱动器 中的移位。 l p 数据锁存信号，在一行数据移位到位之后，这个信号将这些数据锁存到 寄存器中，实现一行的显示 m _ 交流驱动波形信号。 上面前3 个信号是所有的液晶控制器都必须提供给驱动器的信号，丽m 信号并不 是所有的驱动器都需要，有些驱动器会在自己的内部产生，不需要液晶控制器提 供。 接下来将驱动部的工作流程简要介绍如下”3 ： 步骤1将显示缓冲区内第一行的显示数据通过某些逻辑或者算法处理之后得 到一定传输格式输出给显示数据驱动口，在数据移位脉冲信号c p 的作用下，将显 示数据从显示驱动系统内列驱动器组的第一列一直移位到最后一列，直到这一行 的数据移满，这时帧信号置高，表示开始显示一帧的数据，控制器驱动部输出数 据锁存信号l p 将显示数据锁存到列驱动器的锁存器中，同时将f r m 信号移入驱动系 统的行驱动器，从而实现第一行的显示操作。 步骤2在显示第一行的同时，第二行的显示数据在数据移位脉冲c p 的作用下 传输到液晶显示驱动系统。在第二行显示数据传输完成之后，帧信号f r m 必须置为 低电平，驱动部输出数据锁存脉冲信号l p 将显示数据锁存到驱动器的锁存器中， 同时将f r m 信号移入驱动系统的行驱动器，并且行驱动器内的数据也同时移位一 次，从而实现第二行的显示操作。 循环重复步骤2 ，直到完成一帧所有行的显示操作。 回到步骤1 ，开始新的一帧显示 3 ) 控制部 液晶显示控制器的控制部是液晶显示控制器的核心。不过在这一点上不同的液 浙江大学硕士学位论文 第= 章液晶显示及其控制驱动机理分析 晶控制器也有很大的不同。 首先是时钟系统，液晶显示控制器都有独立的时钟，由这个时钟提供给时序发 生器以生成控制时序和显示时序。控制时序将驱动逻辑电路以管理和操作各功能 电路。它负责显示存储区的管理与操作，负责字符发生器的操作，