（物理电子学专业论文）基于dsp的彩色tftlcd数字图像显示技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术和材料工业的进步，图像显示技术飞速发展，出现了多种新型平 板显示器，显示品质接近或超过了传统的阴极射线管显示器( c r t ) ，同时满足设备小 型化和低功耗的要求。目前，彩色薄膜晶体管液晶显示器( t f t - l c d ) 是最具应用前景 的一种平板显示器。 通过研究分析彩色t f t l c d 的工作原理和器件特性，提出利用复杂可编程逻辑 器件( c p l d ) + 先入先出存储器( f i f o ) 共同完成t f t l c d 驱动时序以及与数字信号 处理器( d s p ) 数据接口的方案，实现了基于d s p 的彩色数字图像显示。这种方案在尽 少占用d s p 资源的情况下，可以低成本、低功耗和高品质的显示彩色数字图像。 本系统采用的f i f o 是一种基于d r a m 内核的新型器件，具有成本低、容量大的 特点，但控制复杂。本文在分析这种器件特性的基础上，设计了f i f o 的控制电路， 实现了对f i f o 的正确读写操作。在充分考虑电磁兼容的基础上，完成了系统硬件设 计。 本课题以t m s 3 2 0 c 6 7 1 l 高性能d s p 为平台，完成了基于d s p 的彩色t f t l c d 数字图像显示的软件设计和调试，用户可以在本平台上实现静态或动态彩色数字图像 显示。对系统的软硬件进行了大量的测试，测试结果证明该系统的性能达到了设计指 标。 本课题的研究内容是嵌入式数字图像处理系统的重要组成部分。本系统能够静态 或动态的显示彩色数字图像，具有体积小、功耗低、成本低、显示品质高、占用主机 资源少等优点，在监控系统、仪器仪表和电子消费类产品等方面有着十分广阔的应用 前景。 关键词：t f t l c dd s p f i f o图像显示 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dm a t e r i a l si n d u s t r y , i m a g e d i s p l a yt e c h n o l o g yd e v e l o pq u i c k l y l o t so fn e wm o d e lf l a t p a n e ld i s p l a y ( f p d ) h a v e a p p e a r e d t h ed i s p l a yq u a l i t yo ff p di s c l o s e dt ot r a d i t i o n a lc a t h o d er a yt u b e ( c r t ) d i s p l a y , a n dn o w s o m eo ft h e mh a v eb e t t e rc a p a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，f p da l s om e e t st h e e x p e c t a t i o n so fs m a l ls i z ea n dl o wp o w e r n o w , c o l o rt h i n - f i l mt r a n s i s t o rl i q u i d c r y s t a l d i s p l a y ( t f t - l c d ) i s o n eo ff p dt h a th a st h eb e s tp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n t h r o u g hs t u d y i n g a n d a n a l y z i n g t h e p r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o l o r t f t - l c d ，p u tf o r w a r dam e t h o do fd r i v i n gc o l o rt f t - l c da n di n t e r f a c i n gw i t hd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) b yc o m p l e xp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) a n df i r s ti nf i r s t o u t ( f i f o ) ，r e a l i z ec o l o rd i g i t a li m a g ed i s p l a yb a s e do nd s r t h e m e t h o dc a n d i s p l a yc o l o r i m a g ew i t hl o w e r c o s ta n d p o w e r v i al i t t l er e s o u r c eo fd s p f i f oi san o v e ld e v i c ew i t hc h a r a c t e r i s t i c so fl o w c o s t ，l a r g ec o n t e n t ，b u ti t sc o n t r o li s f a i r l yc o m p l e x i nt h i sp a p e rw ed e s i g n e dt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i t o ff i f oa n dr e a l i z e d p r o p e rr e a d i n ga n dw r i t i n g t h ew h o l es y s t e mc i r c u i ti sp r e s e n t e db yf u l l yc o n s i d e r i n gt h e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y c o m p l e t e t h e s o f t w a r e d e s i g n o fd i s p l a yc o r l o r i m a g e v i at f t - l c d b yu s i n g t m s 3 2 0 c 6 711d s p u s e r sc a nd i s p l a ys t a t i co r d y n a m i cc o l o rd i g i t a li m a g e so nt h i s p l a t f o r m t h ea b o v es y s t e mw a st e s t e du n d e rv a r i o u sc i r c u m s t a n c e s t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a to u rs y s t e ms u c c e s s f u l l yf u l f i l l e dt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t w e e x p e c t e d t h es t u d yi nt h i s p a p e ri s o n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so fe m b e d d e dd i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m t h es y s t e mi sc a p a b l e o fd i s p l a y i n gs t a t i co r d y n a m i cc o l o rd i g i t a l i m a g e s i th a sa d v a n t a g e so f s m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，h i g hd i s p l a y q u a l i t y , a n de x p e n d i n gl i n l er e s o u r c eo fc p u i tc a nb ew i d e l yu s e di nf i e l d s o fm o n i t o r s y s t e m ，a p p a r a t u sa n dc o n s u m e r e l e c t r o n i c s k e y w o r d s ：t f t - l c dd s pf i f oi m a g ed i s p l a y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文储躲魏疏奇、 日期，口( p 年土月io 日 指导教师签名：关裕燃 e l 期：工。口饵j 月，矿e l 冲 疏日 、即即 獬上黼舻 讼 9 位 期 学 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 人类随时随地通过感觉器官从自然界获取的各种信息，其中视觉信息占所有获得 信息的7 0 以k ：t 1 1 ，最丰富、最直观的信息是由眼睛获得的。人类长久以来一直致力 于将各种信息转化为图像信息，再传达给他人，这个信息转化过程称为“信息处理”， 这个传达过程称为“图像显示”。随着计算机技术、现代通信技术、微电子技术、信 息处理技术和网络技术的发展，人类进入信息社会，发现了信息数字化后，变得更为 准确，更有同一性，更容易处理、识别和传输。因此，伴随着数字图像处理技术的迅 速发展，图像显示技术在近三十年取得了巨大进步，改变了人类的生活，也改变了社 会的面貌。 图像显示技术的发展首先体现在显示器的发展上，随着电子工业特别是集成电路 工艺的发展，使电光转化器件的制造越来越容易；而随着材料工业的进步，不仅可以 容易的合成制造出所需要的各种材料，而且结合电子工业，制造出具有优异电光性能 的新器件，形成各种新型显示器，t f t - l c d 就是电子工业和材料工业紧密结合的典型 代表。 同时，图像显示技术还包括控制显示器显示图像的技术，根据显示器的种类和应 用领域的不同，有多种显示控制技术。随着计算机技术的飞速发展，嵌入式图像系统 广泛应用于办公设备、制造和流程设计、医疗、监控、卫生设备、交通运输、通信、 金融银行系统和各种信息家电中。所谓嵌入式图像系统，是指以图像应用为中心，以 计算机技术为基础，软件硬件可裁减，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要 求的专用计算机系统f ”。嵌入式图像系统对图像显示技术提出了各种严格要求，必须 选择合适的显示器，设计出合理的显示控制方法。 1 2 图像显示器 图像显示器分为两大类：传统的c r t 显示器和各种平板显示器，如t f t - l c d 、 等离子体显示器( p d p ) 等。 ( i ) c i 玎显示器 c i 盯显示器利用高能电子束在电子透镜的调制下扫描、激励荧光体发光从而实现 显示。c r t 显示技术已有1 0 0 多年的发展历史，是实现最早、应用最为广泛的一种显 1 华中科技大学硕士学位论文 示方法，技术成熟，图像色彩丰富，分辨率高，响应速度快，还原性好，成本较低。 c r t 显示器主要用作彩色电视和电脑监视器。 由于c r t 显示器必须采用三维真空管结构，用高电压产生和调制电子束，用模 拟电路驱动和控制，因此功耗高、体积大、重量大，工作中容易受到电磁干扰，会产 生对人体有害的辐射；c r t 显示器采用电子聚焦，显示画面容易出现几何畸变，长期 使用会出现散焦和色飘：亮度不均匀，显示器中心亮四周暗；显示器表面非物理平面， 边角容易出现显示失真，而且对环境光有较大的散射和反射，使用者容易出现疲劳。 因此，虽然c r t 显示器在显示色彩、响应时间和分辨率上都有很大优势，但在对系 统功耗、体积要求严格的应用领域，例如嵌入式图像系统等，无法选择c r t 作为图 像显示器。 ( 2 ) p d p 显示器 p d p 显示器是一种采用等离子管作为发光元件，利用气体放电的显示装置。大量 的等离子管排列成显示矩阵，每个等离子管对应的小室内都充满氖氙气体。在等离子 管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室内的惰性气体会产生紫外 光，激励平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。每个等离子管小室作为一 个象素，由这些象素的明暗和颜色变化组合，产生各种灰度和色彩的图像。 与c r t 相比，p d p 体积小，重量轻，厚度薄，无辐射；各个发光单元结构完全相 同，显示时不存在c r t 常见的图像几何变形；亮度均匀，没有亮区和暗区：不怕电磁 干扰；不存在图像聚焦问题，无色飘；显示器表面物理纯平，屏幕边角无失真。 p d p 主要存在的问题是成本高，功耗大，寿命短，因此现阶段一般用于公共场所 信息显示和自动监视系统等大屏幕显示，不适合用于便携式电子产品等对系统功耗、 成本敏感的领域。 ( 3 ) l c d 显示器 l c d 显示器是利用液晶分子的各向异性所具有电光效应，尤其是扭曲向列效应和 超扭曲效应，对外部入射光产生不同程度的遮断形成明暗效果，完成图像显示。 l c d 按结构可分为扭曲向列型液晶显示器( t n l c d ) ，超扭曲向列型液晶 ( s t n l c d ) 和t f t - l c d 。t n - l c d 已基本淘汰；s t n l c d 由于本身结构的原因，在 色彩和响应时间上性能不佳，主要用于显示字符和图形；t f t - l c d 结合了先进的大规 模集成电路制造工艺，在s t n l c d 的结构上增加了薄膜晶体管，同时改变了驱动控 制方式，大大提高了显示器的性能，可以高分辨率、真彩的显示动态图像，是目前 2 华中科技大学硕士学位论文 在显示品质上最接近c r t 的一种液晶显示器。因此，对于高品质的彩色数字图像显 示，一般选择彩色t f t - l c d 。 与c r t 显示器相比，t f t - l c d 功耗低，体积小，重量轻，厚度薄，无辐射，寿 命长；显示器表面物理纯平，画面显示无几何畸变；不怕电磁干扰；不存在图像聚焦 问题；并且，随着大规模集成电路制作工艺的进步，成本不断降低，非常适合嵌入式 图像系统对功耗、体积、成本和可靠性等方面的要求，目前已经广泛应用于监视器、 便携式电子产品和电子消费类产品中。在市场销售量上，t f t - l c d 已超过c r t 成为 主流显示器1 4 l 。 此外，还有有机发光二极管显示器( o l e d ) 、场发射显示器( f e d ) 和微机电系统显 示器( d m d ) 等新型显示器，但由于在生产上成品率较低，还没有取得大规模应用。 1 - 3 基于d s p 的彩色t f t l c d 数字图像显示技术 如图1 i ，一个完整的数字图像系统包括图像采集、放大、存储、处理和图像显示。 根据图像处理器的不同，可分为微机图像系统和嵌入式图像系统。与微机图像系统相 比，嵌入式数字图像系统速度快，体积小，功耗低，成本低，可靠性高，一般使用高 性能d s p 为数字图像处理器。 图像处理 图卜1 数字图像处理系统 出于处理完毕的图像是用来给人观察和评价的，图像显示的品质直接关系到系 统的性能，必须实现高品质图像显示。同时，嵌入式数字图像系统对图像显示模块的 体积、功耗、成本和可靠性都提出了严格要求。这些都使得嵌入式数字图像系统中的 显示器不但能够高品质显示数字图像，而且体积小，功耗低，成本低，可靠性高。目 前市场上的显示器中，只有彩色t f t - l c d 能够满足上述要求。 嵌入式数字图像系统中，基于d s p 的彩色数字图像显示技术，主要特点如下： ( 1 ) 色彩 人的视觉系统对色彩非常敏感，由于处理后的数字图像是给人观察和评价的，因 华中科技大学硕士学位论文 此高品质的图像显示必须达到或超过人的视觉系统对色彩的分辨能力，才不致于丢失 有用的图像信息。 ( 2 ) 分辨率 同尺寸的显示面积，分辨率越高，显示器像素越小，像素间距也越小，图像越精 细，人的视觉系统也越能更好的观察和分析处理后的图像。因此，高品质的显示器， 至少要能达到或超过人的视觉系统对像素的分辨能力。 ( 3 ) 响应时间 人的视觉系统具有视觉暂留，显示动态图像时，当达到或超过1 秒钟显示2 5 帧的 速度，就可以满足视觉系统对动态图像流畅性的要求。通常用响应时间来衡量显示器 显示动态图像的能力。当嵌入式系统显示动态图像时，要求显示器的响应时间小于4 0 毫秒，否则会出现“拖影”。 ( 4 ) 系统实时性 实时性是嵌入式数字图像系统的一个重要指标。目前，多媒体信号传输、工业现 场控制等各应用领域对系统的实时性提出了越来越高的要求，而高品质的图像显示意 味着巨大的数据吞吐量。在数字图像显示中，一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素 组成的，每个像素的灰度级至少要用1 8 位( 彩色图像) 来表示，一般分辨率的图像象 素数为3 2 0 2 4 0 、6 4 0 4 8 0 ，高分辨率图像像素数可达2 0 4 8 x 2 0 4 8 。以3 2 0 x 2 4 0 x 1 8 位的彩色数字图像为例，一帧图像占用2 2 5 k 字节，若以4 0 m s 帧的速度显示图像， 数据吞吐量高达5 5 m 字节秒，因此嵌入式数字图像系统中的显示模块，必须高速、 独立的完成与d s p 数据接口和驱动控制显示器显示图像。尽少的占用d s p 资源，尽 快的完成图像显示，这样才能保证不破坏系统整体的实时性。 1 4 彩色t f t - l c d 数字图像显示技术的应用 ( 1 ) 遥感 遥感图像的用处越来越大，效率及分辨率也越来越高。如：土地测绘、资源调查、 气象监测，环境污染监测、农作物估产、军事侦察等。当前，在遥感图像显示中需要 解决数据量大和显示速度慢的矛盾【3 】。 ( 2 ) 医学应用 彩色t f t - l c d 数字图像显示技术在医学界的应用也非常广泛，无论是在临床诊断 还是病理研究中都大量采用了彩色数字图像显示。它的直观、无创伤、安全方便的优 4 华中科技大学硕士学位论文 点受到普遍的欢迎与接受。其主要应用很多，如x 射线照片的分析，血球计数与染色 体分类等。 ( 3 ) 通信中的应用 图像通信如按业务性能划分可分为电视广播( 点对面通信) 、传真、可视电话( 点 对点通信) 、会议电视( 一点对多点) 、图文电视、可视图文以及电缆电视等。如按图 像变化性质分，可分为静止图像和活动图像通信。 ( 4 ) 工业生产的质量控制 在生产线中对生产的产品及部件进行无损检测也是图像显示技术的一个广泛的 应用领域。如食品包装出厂前的质量检查，啤酒生产线上对瓶口玻璃质量的监控和筛 选，甚至在工件尺寸测量方面也可以采用图像处理和显示的方法加以实现。另外，频 谱分析也是一个典型的应用。 ( 5 ) 安防方面的应用 该领域采用模式识别和高品质数字图像显示等方法，在实时监控、智能楼字、指 纹档案、案件侦破、交通管理等方面有广泛应用。 ( 6 ) 教学和科研领域 教学及科研领域中大量应用图像显示技术。如可视化技术，远程培训及教学等都 会大量使用彩色t f t - l c d 数字图像显示技术的成果。 ( 7 ) 金融系统 当前呼声甚高的电子商务中，图像显示技术也大有可为。如：身份认证、产品防 伪、水印技术、纸币分检等。 总之，彩色数字图像显示技术在国家安全、经济发展、日常生活中充当越来越重 要的角色，对国计民生起到越来越重要的作用。 1 5 彩色t f t - l c d 数字图像显示技术国内外概况 不同应用领域对成本、速度、功耗和显示品质的不同要求，国内外对彩色t f t - l c d 数字图像显示有多种实现方案。 ( 1 ) 采用基于p c 机或工控机的显示卡 采用基于p c 机或工控机的显示卡，与c p u 数据接口，驱动控制t f t - l c d 显示 数字图像。这种方案可以利用p c 机丰富的软件资源，实现高品质的图像显示，但系 统成本高，功耗大，体积大，速度慢，无法满足嵌入式数字图像系统的要求这种方 华中科技大学硕士学位论文 案一般用于非嵌入式的大型仪器设备。 ( 2 ) 采用带t f t - l c d 接口的微处理器( m c u ) 采用带t f t - l c d 接口的m c u 做为系统的c p u ，不用考虑驱动控制t f t - l c d ， 只需要解决如何缓冲输出数据，大大简化了系统设计难度。但是，m c u 属于任务密 集型处理器，运算能力差，速度慢，不适合嵌入式数字图像系统密集运算的应用要求。 这种方案多用于电子消费类产品，如多媒体手机等。 此外，带t f l c d 接口的m c u 价格一般在百元以上，如果将这种m c u 只作为 t f t - l c d 的驱动控制器来使用，系统总体成本过高。 f 3 1 采用t f t - l c d 驱动控制专用芯片 这种专用芯片内一般集成了大容量s r a m ，c p u 只要按照芯片的控制时序写入图 像数据，就能够驱动控制t f t - l c d 显示数字图像，简化了系统设计难度。但是，这 种芯片价格一般在百元以上，无法满足系统低成本的要求，只适用于对成本不敏感的 高档仪器设备。 f 4 )可编程逻辑器件+ s ra m d r a m 通过外部缓冲存储器，c p u 与t f t - l c d 进行数据接口。数据接口工作包括c p u 输出图像数据到缓冲存储器，以及可编程逻辑器件读取缓冲存储器的图像数据并输入 到t f t - l c d 进行显示，两者是同时进行的。采用s r a m 或d r a m 作为外部缓冲存 储器，成本较低，但s r a m 和d r a m 只有一个读写端口，无法同时进行读写操作， 只能频繁切换读写端口，时序复杂，降低了系统的可靠性。同时，必须采用高档可编 程逻辑器件，提高了总体成本。采用这种方案，一般通过降低图像显示品质来降低系 统总体成本。因此，这种方案多用于对图像显示品质要求不高的场合，不适于数字图 像系统。 f 5 ) 可编程逻辑器件+ f i f o f i f o 具有独立的读写端口，可以同时进行读写操作。采用f i f o 作为外部缓冲存 储器，可以避免频繁切换读写端口，降低了时序的复杂度。但是，通用f i f 0 ( 基于 s r a m ) ，价格极为昂贵，无法满足系统低成本的要求。 如果能降低f i f o 的成本，可编程逻辑器件+ f i f o 将是性价比最高的一种方案。 本课题提出了c p l d + 基于d r a m 的f i f o 的技术方案，大大降低了f i f o 的成本， 实现了低成本，低功耗，高速度和高品质的彩色t f t - l c d 数字图像显示。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 6 研究的主要内容 作为嵌入式图像处理系统的基本组成部分，图像显示的质量直接关系到系统的性 能。本课题的最终目的是构建一个高可靠性、高速、嵌入式、低成本、低功耗的图像 显示平台。本课题有以下几个特点： ( 1 1 采用t f t - l c d 嵌入式图像处理系统要求高品质的彩色数字图像显示，而t f t - l c d 是目前l c d 家族中显示品质最高的一种，可以很好的满足其各项显示要求。 ( 2 ) 嵌入式系统 本系统使用t i 公司2 0 0 2 年量产的高速d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 1 为主控c p u 。c p u 的 外频为i s o m h z ，内部的并行单元可以同时进行数据处理，c p u 最终的数据处理速度 可以达到1 2 0 0 m i p s ( 百万条指令每秒) 。 ( 3 ) 实时性强 图像显示模块具有很强的独立性，具有高速大容量的图像缓冲存储区，占用c p u 资源少，实时性强。 ( 4 ) 低成本 采用以d r a m 为核心的低成本大容量f i f o ，并使用了新型高密度低成本的 c p l d ，图像显示模块的总体成本降到很低。同时，也增加了系统开发难度，控制时 序较多而且复杂。 ( 6 ) 高可靠性 图像显示模块的控制核心是c p l d ，编程烧录后为全硬件结构，并且针对高频信 号特性进行了抗干扰设计，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。 本课题作为一个基于d s p 的嵌入式图像系统的显示模块，要在图像处理过程中， 并行的驱动彩色t f t - l c d ，显示彩色数字图像。系统以d s p 为核心，以c p l d + f i f o 与d s p 进行数据接口，同时驱动控制t f t _ l c d 显示彩色数字图像。系统设计的关键 是实现高速器件之间的信号时序同步，并做好高速信号的抗干扰设计。 本文的主要研究内容如下： 第二章介绍了l c d 的发展情况；详细阐述了l c d 的工作原理和器件特性：就 t f t - l c d 和s t n l c d 的不同特点和性能做了细致对比；阐述了t f t - l c d 的应用范围。 第三章给出系统硬件框图，分析了d s p 在高速图像处理方向上的优势，深入分析 华中科技大学硕士学位论文 了系统中各个器件的性能特点，对各个器件的硬件设计做了详细阐述，并介绍了系统 中使用的抗干扰技术。 第四章分析了t f t - l c d 的驱动时序，结合d s p 、f i f o 的时序特点，提出利用 c p l d + f i f o 完成t f t - l c d 显示驱动以及与d s p 数据接口的低成本、高效能的方案。 这种方案充分发挥了基于d r a m 的f i f o 的高速、大容量的特点，在降低成本的同时 实现了t f t - l c d 的真彩显示。 第五章分别基于嵌入式系统的性能要求和图像处理系统的性能要求评估了本系 统的性能，并与市场上现有产品进行了对比。 第六章对全文进行了总结。 8 华中科技大学硕士学位论文 2l c d 的工作原理 2 1引言 液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔于1 8 8 8 年发现的，他发现某些有机物熔化 后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态。第二年，德国物理薛家莱曼发现这类浑 浊液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性，于是莱曼将 其命名为“液态晶体”，也就是“液晶”。 1 9 6 3 年，美国r c a 公司的威利阿姆斯发现用电刺激液晶时，其透光方式会改变。 1 9 6 8 年，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置，这就是l c d 的开端。起初，液晶作为显示屏的材料，性能非常不稳定，因此在商业应用中存在许 多问题。1 9 7 3 年，英国哈尔大学的格雷教授发现了稳定的液晶材料。1 9 7 6 年，以这 种液晶材料，由夏普( s h a r p ) 公司在世界上首次，将液晶显示器应用于计算器( e l 8 0 2 5 ) 的显示屏中【5 j 。 l c d 自诞生以来发展非常迅速，第一代的t n l c d 面临淘汰，第二代的s t n l c d 已经全面普及，第三代t f t - l c d 正在逐渐普及。 l c d 技术诞生于美国，但却是日本将其大规模推广商用。目前，以夏普、日立、 松下、东芝、三洋、富士通、三菱和日本电气为代表，他们掌握着l c d 的全部技术 和大规模生产的经验，并且在竞争中击败了美国公司，日本成为l c d 的最大生产国。 美国西屋公司最早提出t f t - l c d 的构思，日本东芝公司率先实现了t f t - l c d 的 规模生产。近年来，韩国t f t - l c d 产业发展最快，在1 4 英寸以上大型t f t - l c d 上， 三星和l g 已经处于第一和第二的位置。迫于韩国公司在制造技术上的迅速成熟和产 业上的巨额投资，t f t - l c d 的价格迅速下降，并完全打破了日本公司在t f t - l c d 上 的技术垄断，各主要生产厂家随之将生产基地外移。目前，在t f t - l c d 产业上，形 成了日本、韩国和台湾三足鼎立的局面【6 o 国内现在已经掌握了t n l c d 、s t n l c d 和t f t - l c d 面板的生产工艺，但是l c d 的核心技术：主控芯片，尤其是t f t - l c d 的主控芯片，仍然没有实现国产化，需要 大量进口。 2 2l c d 的显示原理 液晶是一种介于固体和液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物，既有晶体 9 华中科技大学硕士学位论文 所特有的各向异性造成的双折射性，又有液体所特有的流动性，如图2 1 。 ：| ：， ，o ， ( a ) 液体分子各向同性( b ) 液晶分子各向异性 图2 - 1 液体与液晶分子特性 ( 1 ) 液晶的光电特性 液晶分子结构为各向异性，所以液晶的光电特性因方向不同而有所差异，也就是 液晶分子在介电系数及折射系数等光电特性都具有各向异性，利用这些性质可以改变 入射光的强度，形成灰阶，制作显示器。液晶分子的电光效应最显著的是扭曲向列效 应。在不同电流电场作用下，液晶分子会规则旋转9 0 度排列。当偏振光通过液晶时， 偏振角发生变化，这个变化的角度称为扭曲角【7j ，如图2 - 2 所示。 液晶分子 二0 渣移 光源 垂直偏振片 玻璃电极板未加电场 玻璃电极板水平偏振片 ( a ) 液晶未加电场时光学特性 光源 垂直偏振片 玻璃电极板加电场 玻璃电撮扳水平偏振片 ( b ) 液晶加电场时光学特性 图2 - 2 液晶的电光效应 ( 2 ) 液晶的显示原理 液晶显示器是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液 晶分子扭曲向列的电光效应。在电源的关开之间控制光源透射或遮蔽，产生明暗两种 效果。如图2 2 ，在玻璃电极板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃 基板配向膜沟槽偏离9 0 度，所以液晶分子成为扭转型。当玻璃基板没有加电场时， 如图2 2 一( a ) ，光源的自然光经过垂直偏振片后形成的垂直偏振光透过液晶分子时发生 9 0 度扭转，此时的偏振方向与水平偏振片相同，偏振光透射，液晶像素显示为白色。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 当玻璃基板加足够强的电场时，如图2 2 一( b ) ，光源的自然光经过垂直偏振片后形成的 垂直偏振光透过液晶分子时不发生扭转，此时的偏振方向与水平偏振片正交，偏振光 被阻挡，液晶像素显示为黑色。多个液晶像素构成液晶显示器，驱动控制每个液晶像 素的透光或遮光，就可以显示一幅图像。 2 3l c d 的驱动原理 l c d 种类繁多，驱动方法也多种多样，但无论哪种类型的l c d ，驱动原理都是 调整施加到液晶像素上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序和占空比等参数来 实现显示。需要注意的是，l c d 必须是交流驱动，直流驱动会损坏液晶像素。根据常 见l c d 种类，驱动方法主要可分为直接驱动法和有源驱动法。 2 3 1 直接驱动法 指驱动电压直接施加于l c d 像素电极上，使l c d 显示直接对应于所加驱动电压 信号的一种驱动方法【8 】0 这是一种最常见的驱动法，主要适用于t n l c d 和s t n l c d 。 根据对像素寻址方式的不同，直接驱动法可分为静态驱动和动态驱动两种方式。 ( 1 ) 静态驱动 静态驱动是指在液晶像素前后电极上施加电压信号时呈显示状态，不施加电压时 呈非显示状态。以图2 3 所示笔段式l c d 为例，2 3 ( a ) 是笔段式液晶的电极排列方式， 2 3 ( b ) 是其中一个液晶像素的驱动电路原理图。在c o m 端施加一个占空比为1 2 的 连续方波。当控制信号为高电平，笔段波形与c o m 波形反相，液晶像素上施加了一 个周期电压，液晶像素呈显示状态；当控制信号为低电平，笔段波形与c o m 波形同 相，液晶像素上无电压，呈非显示状态。控制时序图如2 - 4 所示。 冀堕堕爷、董垦婆兰i p 锻电生液晶 c o mic o m 电矿像素 。l 、一 f a ) 电极引线排列 m ) 驱动电路原理图 图2 - 3 笔段式l c d 的静态驱动 华中科技大学硕士学位论文 控制信号：二广 c 。m 波形：二r 厂 厂 厂 笔段波形：二r r mf n i _ j l _ jl _ j o l _ j v 鋈壹曩嘉j v羽nn 卜 不显示显示不显示 图2 4 笔段式l c d 的静态驱动时序图 ( 2 ) 动态驱动 当l c d 的像素数增多，笔段式l c d 的结构和驱动方法就变得都不合理了。对于 多像素l c d ，即点阵式l c d ，采用矩阵式排列液晶像素的前后电极，行、列的交叉 点为液晶像素，如图2 5 所示。 ，x 1 扫f 描ix 5 行 裹1 l lx n 寻址列电极 ，k 1 y ly 5y 弭 图2 - 5 点阵式l c d 的结构图 对于这种电极排列，不可能象静态驱动一样，在某一个像素上维持一个持续的电 场，为此设计了一种基于时间分割的动态驱动法1 9 】。如图2 - 5 ，称x 电极为“扫描行 电极”，按时间顺序施加上一串扫描脉冲电压，在所有扫描行电极上各旌加次扫描 1 2 华中科技大学硕士学位论文 电压的时间称为“帧”；称y 电极为“寻址列电极”，与x 扫描电极同步的施加选通 电压波形或非选通电压波形。这样，在行、列方向上同步输入的驱动电压在电极交汇 点的液晶像素上就合成一个驱动波形。在一桢的扫描周期中，每一行的扫描时间内都 会有若干个像素点被选通，这些在不同时间分割区内被选通的像素点就组成了一幅显 示画面。相对于静态驱动法，每一个显示画面都是由不同时间分割区显示的像素瞬间 组合而成，像素上没有真正意义的持续显示状态，应此称之为动态驱动法。字符、图 形点阵式s 丁n l c d 均采用动态驱动法。 2 3 2 有源驱动法 为了进一步提高显示质量，t f t - l c d 以其分辨率高、响应速度快和包彩丰富等优 点正逐渐取代s t n l c d 。如图2 - 6 ，t f t - l c d 的每个像素上集成了一个有源器件 薄膜晶体管( t f t ) 【l0 1 ，对t f t - l c d 的驱动实际上是对每个像素点上的t f t 的驰动， 而非直接驱动法将驱动信号直接施加到液晶像素上，因此，称t f t - l c d 的驱动为有 源驱动法。 行扫描 行扫描 图2 - 6t f t - l c d 像素结构 当t f t 的栅极g 与源极s 未选通时，t f t 处于截止态，源极s 与漏极d 之间相 当于开路，外电路电压不会施加到液晶像素上。当行扫描信号选通了某一行所有t f t 的栅极g 后，源扫描信号依次选通此行上t f t 的源极s 。行扫描信号和源扫描信号同 时选通的t f t 被打开，源、漏极之间导通，源扫描信号即数据信号写入液晶像素和补 偿电容c s 。因为液晶像素与补偿电容对电荷的存储效应，在t f t 截止后，写入的数 据信号会保存一段时间。可以设定这个保存时间为半帧周期，下半帧时，改变写入信 号的极性，即可保证液晶像素处于交流驱动状态l l ”。 由此可见，相对于直接驱动法直接对液晶像素施加驱动信号，有源驱动法是对具 华中科技大学硕士学位论文 有开关特性的t f t 进行驱动，这是两者的关键区别。 2 4l c d 的分类和性能对比 按驱动方式分类，l c d 可分为无源矩阵液晶显示器( p m l c d ) 和有源矩阵液晶显 示器( a m l c d ) 。p m l c d 以t n 和s t n 型l c d 为代表，采用直接驱动法；a m l c d 一般指t f t - l c d ，采用有源驱动法。t f t - l c d 作为s t n l c d 的换代产品，具有分辨 率高、响应速度快和色彩丰富等优点，目前正逐步取代s t n l c d ，广泛应用到便携 式计算机、电视、摄录像机和工业控制仪表等产品中【l ”。 2 4 1t n l c d 与s t n - l c d s t n l c d 是t n l c d 的升级产品，两者结构基本相同。t n l c d 的基本单元和显 示原理如图2 2 所示，液晶的扭曲角为9 0 度，而s t n l c d 的扭曲角达到1 8 0 度3 6 0 度，提高了液晶的电光响应速度。但如图2 7 所示，由于s t n l c d 的扫描行电极和 寻址列电极直接连接在液晶像素上进行驱动，存在以下几个重要缺陷。 鞋 量塾到皇堡 y 1y 2y 3y 4y 5 簦： 震。 覆： ( a ) s t n - l c d 电极分布图 x 3 工二_ 二 二_ _ 二 二_ 一一 ( b ) s t n - l c d 像素等效电路图 图2 7s t n l c d 结构图 ( 1 ) 分辨率低 如图2 7 ( b ) 所示，每个液晶像素单元相当于一个无极性电容，当扫描某行和寻址 某列时，需要对一整行和一整列的的液晶像素进行驱动。行列数越多，驱动电压越高， 因此s t n l c d 很难达到较高的分辨率。 ( 2 ) 色彩少，无真彩显示 工业上规定的“真彩”，要求r 、g 、b 三基色中每个基色的灰度级别都要达到6 位以上，共1 8 位色。 如图2 7 一( a ) 所示，向x 1 行y 1 列的a 像素写入数据时，要在x 1 行和y 1 列同步 施加一个脉冲驱动电压，称a 像素为“选通像素”。此时，除a 像素上形成了一个最 1 4 华中科技大学硕士学位论文 大的合成驱动电压外，a 像素所在行和列上的其它像素也被施加了一个驱动电压，称 这些像素为“半选通像素”，例如b 、c 像素。显然，对选通像素a 的驱动串扰到半 选通像素b 、c ，称这种串扰为交叉效应。由于交叉效应的原因，像素上的驱动电压 无法细致分级，导致s t n l c d 可显示的灰度级别减少，不能达到真彩显示。 ( 3 ) 响应速度慢 液晶像素从全黑到全白的时间定为t l ，从全白到全黑定义为t 2 ，取t l 和t 2 中的 最大值作为l c d 的响应速度。 由于液晶像素的电容存储效应和直接驱动导致的交叉效应，使得s t n l c d 的响 应速度慢，一般在1 5 0 m s 以上，显示动态图像时有明显的拖影效应。 2 4 2t f t - l c d 如图2 - 6 ，t f t - l c d 的每个像素上集成了一个有源器件t f t ，对t f t - l c d 的 驱动实际上是对每个像素点上的t f t 的驱动，而不是直接将驱动信号施加到液晶像素 上 1 3 。 t f t 是场效应管结构，栅极电流小，l c d 的行列数增加不会导致驱动电压升高， 因此t f t - l c d 可以制成高分辨率显示器。 t f t 导通时，源、漏极电阻很小；t f t 关断时，源、漏极电阻极大，近似开路。 显示驱动时，某一时刻只有一行像素被选中，此行的t f t 导通，其它行像素的t f t 均处于关断状态；并且此行所有像素都单独与某一固定数据线相连，彼此互不干扰， 这从根本上消除了s t n l c d 的交叉效应，因此t f t - l c d 色彩丰富，一般都可以做到 真彩显示1 1 4 j 。 t f t - l c d 的响应速度取决于t f t 的开关速度，与液晶像素的充放电速度无关， 所以t f t - l c d 的响应速度远快于s t n l c d ，可以无拖影的显示动态图像。 s t n l c d 与t f t - l c d 分属于l c d 的低端和高端，性能比较如表2 1 所示。 表2 - 1s t n l c d 与t f t - l c d 的性能比较 性能参数s t n l c dt f t l c d 色彩 伪彩真彩( 1 8 位色以上) 响应时间1 5 0 m s 以上5 1 0 0 m s 分辨率3 2 0 2 4 0 8 0 0 6 0 03 2 0 2 4 0 1 6 0 0 1 2 0 0 1 5 华中科技大学硕士学位论文 图像处理系统中，处理后的图像要由人的视觉系统来判断和分析，因此图像显示 的画面质量直接关系到系统的性能。色彩、响应时间和分辨率是图像显示器的几个基 本参数。显示器的色彩达到或超过真彩，就可以满足入的视觉系统的分辨能力；响应 时间小于4 0 m s ，就可以无拖影的显示动态图像；相同显示尺寸下分辨率越高，显 示画面越精细。t f t - l c d 可以满足数字图像处理系统真彩、快速响应和高分辨率的显 示要求，因此本课题采用夏普公司的l q 0 5 7 q 3 d c 0 2 彩色t f t - l c d 作为图像显示 器。 2 5 小结 本章概况了l c d 在各国的发展情况，详细阐述了l c d 的显示原理。分析了各种 l c d 的基本结构和相应的驱动原理，就t f t _ l c d 和s i n - l c d 的不同结构和