（微电子学与固体电子学专业论文）液晶微型显示视频系统的设计与实现.pdf

ab s t r a c t t h e c o m p e t i t i v e f e a t u r e s o f m i c r o d i s p l a y a r e i t s h i g h r e s o l u t i o n , lo w c o s t , l i g h t w e i g h t a n d s m a l l v o l u m e . mi c r o d i s p l a y b e c o m e s t h e h o t s p o t o f t h e d i s p l a y k in g d o m a t p r e s e n t . i n v a r i o u s s c h e m e s ， l c o s( l i q u i d - c r y s t a l - o n - s i l i c o n ) i s t h e b e s t o n e t o r e a l i z e m i c r o d i s p l a y . t h e i n s t i t u t e o f p h o t o e l e c t r o n i c t h i n f i l m d e v i c e 1 . 低电 压、 微功耗，可以直接与集成电路匹 配，可用电池供电，其发展已 使各种便携式显示成为可能。 2 . 平板型结构，具有轻、薄的特点，应用领域极其广阔 3 . 无辐射，图象显示的色彩、 灰度、对比 度可以与c r t相媲美。 4 . 主要是利用与半导体相类似的工艺进行生产，由于微电子技术的发展、 工艺技术成熟，使液晶显示产品更新换代容易，可以满足不同需要。 目 前液晶显示技术正朝着大屏幕显示和微型显示两个方向 发展。大屏幕显 示的应用如笔记本电脑和液晶电视微型显示的应用如投影仪、移动电话、数 字照相机和头盔显示 器等。 微型显示 器件的市 场前景诱人。 2 0 0 0年微型显示 器 件的 销售额为5 0 0 万美元， 2 0 0 4 年将迅速增长到2 . 3 亿美元。目 前 微型显示器 件的应用才刚刚开始， 各大公司正在技术和应用领域展开激烈竞争。 本论文的立题， 是为了 配合天津市 科委的重点 项目“ 军民两用头盔显示器” ， 进行液晶微型显示视频系统的开发。本文分四章，主要从微型显示技术、模拟 视频信号处理电 路和数字视频信号处理电路三个方面详细地阐述液晶微型显示 视频系统的结构和工作原理。 液 晶 微 型 显 %r , r ft c tr y t 上5 % 一 一 一一 一 第一 章微型显 示( m i c r o d i s p l a y ) 技 术 1 . 1 微型显示 发展的 现状 微型显示技术是目 前正在蓬勃发展的新兴技术。传统的显示 器件随着图象 尺寸和像素数量的增加变得体积越来越大，重量越来越重。微显的突出 优点是 体积小、重量轻和高分辨率。微型显示屏是为适应大信息量、快速移动式通信 设备的需要而 研制的。微型显示器可以 用于实 像显示也可以 用于 虚象显示。由 于显示板尺寸小，所以 虚拟显示器能以 低功耗提供高信息量、大尺寸的显示虚 象 微型显示器的低功率与高 信息 量特点， 使它能 用于移动式通信设备。目 前全 世界已 有3。 多个微型显示 器研制厂家。如日 本的h i t a c h i . s o n y 公司、 香港的 v a r if r o n ix公司 、 美 国 的m ic r o d is p l a y . t h r e e - f iv e 和k o p in 公司 。 各 公司 实 现 微型显示的 方法有很多 种，如 机械微镜、 l c o s 、 场致发射等。从制造成本和技 术 的 成熟 程 度来 看， 最 优选的 技术 是l c o s ( liq u id - c r y s t a l - o n - s i li c o n ) 技 术。 1 . 2 l c o s 技术 近 年 来， l c o s ( l iq u id - c r y s t a l - o n - s il ic o n ) 技 术 迅 速 发 展。 l c o s 微型显示技术是采用超大规模集成电 路兼容的设计和制造方法将硅基 t f t - a m l c d显示矩阵和相关驱动电路集成在一起构成的 微型显示芯片，其最 大的特点是解决了 显示矩阵与驱动电路之间的连接问题，有利于液晶显示器实 现更高的分辨率。由于功耗更低，占 有空间更少，携带更加方便，并且随时随 地都可以观赏，在个人显示应用方面具有得天独厚的优势。其典型应用如军用 头盔显示器、虚拟现实显示器、“ 随身看” 、无线数据显示终端等。 l c o s 器件的 墓本结构是在c m o s 硅芯片上 加上 传统的液晶材料。 l c o s 器 件是制作在单晶 硅芯片上的 单晶硅芯片上有控制液晶单元的晶体管阵列。在 晶 体管阵列的周围 是行、列驱动电 路。在硅芯片顶部是像素电 极。像素电 极是 一层金属薄膜，在电 极上施加电 压可控制液晶分子扭曲角 度，同时起到反射入 射光的作用。像素电 极之上是液晶。l c o s器件的顶部是 i t o公共电 极和玻璃 层 光线从 l c o s器件顶部射入，穿过玻璃. i t o电 极和液晶盒后被低层的金 属电极反射回来，是典型的反射式显示。 一一一一一一一 a ao a t i t 4pl y a o e fri a it 垫a 一 一一 断开，第二列的采样开关闭合。 像素值采到。在点时钟的作用下 v i d e 。信号对第二列的 保持电 容充电，第二个 上述过程逐列逐列地进行下去，一直到该行 n o d - f a l 8 h 价r 口. 伪. d a t c lo c k vv d e o stvvcx 图1 - 3 模拟l c o s 芯片的 驱动电 路 的v i d e 。 信号的 不同部分被采样完。 列驱动电路比 行驱动电路简单的多。列移位寄存器的原理和行移位寄存器 的原理是一 样的。在v c k的上升沿的 作用下， s t v信号的高电 平被逐级移位， 一行行的像素开关被打开，列驱动中 保持电容的 信号写入液晶单元。当s t v信 号被移到最后一个触发器的输出 端，驱动电路完成一帧图象信号的写入. 数字 l c o s芯片的 驱动电 路结构与 模拟 l c o s芯片类 似，它们的区 别主要 是列驱动上有一些不同之处 模拟l c o s芯片的优点 是模拟视频信号 是连续的， 从原理上说可以 实现全灰度级，但模拟芯片容易受到干扰，图象的质量不如数 字l c o s芯片，同时工艺上的 难度大一些。目 前 l c o s芯片的 发展方向 是数字 化 数字 l c o s芯片的 驱动电 路比 模拟 l c o s芯片复杂一些，需要将数字视频 信号进行 d / a转换，变成有限等级的 灰度电压。数字式驱动电 路在技术和工艺 液晶微型显示视频系 统的设计与实现 上都非常成熟，对信号进行变换、纠正很容易， 抗干扰能力强。我设计的液晶 微型显示视频系统采用的l c d屏是数字式l c o s 屏 显示屏的物理分辨率为7 0 4 x 5 7 6 ，可显示v g a图象 r , g , b信号各为8 位，颇色有 1 6 7 7 7 2 1 6 ( 2 8 x 2 8 x 2 8 ) 种图1 - 4 为该显示屏的蓦本结构图 该l c o s 屏的彩色的实现方案是彩 s t ho e v c 成 一一一笼 s t v -一一笼知 v 1 , v 2 u 3 , v 4 d a t a 2 ( 0 : 7 ) 卜 人 t a 4 ( u :7 ) 图1 - 4数字l c o s芯片结构图 色时序行驱动电路与前面所述的模拟 l c o s芯片相同.为降低点时钟频率， 数据线为3 2 位。每次接收相邻四个像素的数据。时钟的频率是每次只接收一个 像素的驱动电路时钟的四 分之一。列驱动电路分两组，上侧的列驱动电路对奇 数列驱动，下侧的列驱动电路对偶数列驱动。接收的数字 信号要经过 d / a ，变 成模拟电 压。v i , v 2 . v 3 . v 4 是四个参考电 压，用于y 纠正。 1 . 4 液晶 微型显 示视频系统 目前我所承担天津市科委的重点项目: “ 军民两用头盔显示器”。本论文 的二题是为了 配合该项目的 科研，开发液晶 微型显示视频系统。该视频系统由 模拟视频信号处理电路、数字视频 信号处理电路和l c d屏组成。图1 - 5 是液晶 微型显示视频系统的示意图 本视频系统接收的视频信号是 c v b s 复合视频信号) .输入的视频信号 先经过模拟视频信号的处理，转变为数字的r ,g 、b信号。模拟视频信号的处 液 握 塑 鱼 型 竺噢竺边鱼丝全丝二一一一一一一一一一 理首先是字符叠加。视频 信号同时输入同步分离和o s d电 路.同 步分离电 路分 离出视频信号中的行、场同步 信号。o s d电路根据行、场同步信号，在视频信 液晶微显视频系统 模拟视频信号处理部分数字视频信号处理部分 c、 佗 s 图i - 5液晶微型显示视频系统 号中叠加上彩色的字符和图 形信号。经过字符叠加的视频信号通过视频解码和 a / d转换变为r . g . b数字 信号输出 数字视频信号处理电路由c p l d( 复杂可编程逻辑器件) 和两组 s r a m组 成.该部分电路王要功能是实现数据变换和彩色时 序。c p l d接收r . g . b数 据，采用一种数据变换的算法将r . g . b数据由8 位变为3 2 位，再存入一组 s r a m， 同时将存在另一组s r a m中的上一帧图象读出送入l c d屏。 两组s r a m 交替读写操作，读写时序由c p l d直接控制。c p l d的另一个功能是产生l c d 屏所需要的子场行同步、场同步、行写入、l e d控制、点时钟等 信号。 在接下的两章中将分别论述模拟视频信号处理部分和数字视频信号处理部 分电路的设计和实现过程。 -.a a a m a t 4 0 a 4x d j ik it 5 % v 一 一 一 一 一 一 一 一 一 第二章 模拟视频 信号的处理 2 . 1 视频 信号 原 理 我设计的液晶微型显示视频系统接收的视频信号是 c u b s( 复合视频信 号) 该视频系统的主要功能 是将复合视频信号变成l c d屏能接收的数字信号， 在屏幕上显示出来。因此首先应对复合视频信号的结构非常了 解。 一、彩色电视制式 世界上彩色电视制式主要有三种: 1 . n t s c制。其特点 是将两个色差信号以正交平衡调幅方式调制在副载波 上，形成色度信号，与亮度信号同时 传送。 2 . p a l制.它是在n t s c制的 基础上进行了改 进。其特点 是色度信号中受 ( r - y) 调制的副载波是逐行倒相的. 3 . s e c a m 制 。 其 特点 是 将两 个 色差 信号以 调频 方式 分 别调制 在两 个频 率 不同的副载波上， 形成两个色度信号，逐行轮换与亮 度信号同时 传送。 三种制式之间的主要差别是在于色度信号的形成与传输.彩色电视是在黑 白电视的基础上发展起来的。由于彩色电视要与黑白电视兼容，因此它的场频、 每帧扫描行数 ( 或行频) 、视频带宽、伴音载频与图象载频差等同黑白电视共有 的参数，必须与原来的黑白电视一致.因此完整的彩色电视制式特点应包括色 度信号特点和原黑白电 视制式 特点。我国电 视制式为p a l / d制。 二、黑白 全电视信号 黑白 全电视信号包括图象信号，行与场消隐信号，行与场同步信号，槽脉 冲和前、后均衡脉冲等7 种信号。图2 - 1 是黑白全电视信号波形图。在7 种信 号中，我们关心的是行、场同步信号，它对视频系统的设计很重要。 1 . 行同步信号和行消隐 信号 行消隐 脉冲的目 的 是使行回扫期屏幕上不出现干扰亮线。它的脉冲宽度为 1 2 p s ，周期为6 4 p s， 相对幅 度为7 5 %。行同步 信号 是电 视发送端产生的同 步 信号，目 的 是使收发系统 各行同步 行同 步脉冲宽度为4 .7 n s ， 周期为6 4 p s , 脉冲前沿比 消隐脉冲滞后 1 .3 p s .同步 信号叠加在消隐 信号电 平上，其相对电 一 一止 绝鲤竖塑鲤 边些立丝生 一一一一一 一一 平为 2 5 %e 奇数场 6 2 1 6 2 2 6 2 3 6 2 4 偶数场 1 2 3 4 5 6 7 w杏 杏w杏杏杏 杏杏 杏 奇 数 场 偶 数 场 w 309 w 310 1 31讼 31丫 飞 31飞 飞 316, 31丫 丫 丫杏 i 杏ii 图2 - 1 黑白全电视信号波形图 行同步 1 0 0 % 1 5 % 图2 - 2 行同步和行消隐信号波形图 2 . 场消隐、同步信号 场消隐脉冲目 的是使场逆程期屏幕上不出 现干扰亮线 规定场消隐脉冲宽 度为 1 6 1 2 n s ， 周期为2 0 m s ， 相对幅 度为7 5 %。 场同 步脉冲信号目 的 是确保收 发系统各场同步。场同步信号 脉冲宽 度为1 6 0 n s ， 周期为2 0 m s ， 其前沿与 场消 隐 信号间隔为1 6 0 u s ， 其相对电平为2 5 % 。 场同步 信号叠加在场消隐 信号之上。 1 0 0 % 7 5 0i l / 场 同 步 尸场 消 隐 图2 - 3 场同步和场消隐信号 3 . 隔行扫描 p a l制电视信号采用隔行扫描。隔行扫描方式是将一帧图象分为两场进行 液 晶 微 型 显 示 ， g o 把扫偶数行 2 ,4, 6 - . 5 7 4( 显示行) 的场称为偶数场。场频 5 0 hz . 彩色全电视信号 彩色全电视信号中除了 与黑白 全电视信号兼容的亮度信号外，在黑白全电 为三 视信号的频谱中嵌入色度信号和色同步信号 在彩色广播电 视中，三基色信号并不是直接传送的，而是经过处理，变成 代表亮度的亮度信号和代表色度的色差信号，然后进行传送;到接收端再把亮 度信号和色差信号经过相反处理，恢复成原三基色信号。色度和亮度的分开是 为了 使彩色电视与原先的黑白电视兼容。 色度y 根据亮度公式由三 墓色信号r , g . b 组成，即 y = 0 . 3 0 r + 0 . 5 9 g+ 0 . 1 1 b 色差信号( r -y ) . ( g -y ) . ( b - - y) 是基色信号与亮 度信号之差。三个 色差信号具有下列关系: 0 . 3 0( r 一y)+ 0 . 5 9( g一y) + 0 . 1 1( b 一y) = 0 上式说明，三个色差系数中只要两个是独立的，另一个不独立。由于 ( g -y) 幅值较小， 做为传输信号抗杂波能力差，所以 选用 ( r -y) 和 ( b -y) 作为传输的色度信号。 我国 采用的p a l / d制电 视 信号的主要参数如下: 每帧行数: 6 2 5 行 ( 只显示5 7 5 行) 每场行数: 3 1 2 . 5 行 ( 只显示2 8 7 . 5 行) 帧频:2 5 h z场频:5 0 h z 行周期:6 4 u s场周期:2 0 m s 行同步脉宽:4 .7 p s场同步脉宽:1 6 0 p s 水平回扫时间:1 2 p s垂直回扫时间;1 6 1 2 p s 色同步频率: 4 .4 3 mh z视频带宽 :6 mh z 2 . 2屏幕字符显示 ( o s d) 功能的实现 一、概述 屏幕字符显示( o n - s c r e e n c h a r a c t e r d i s p l a y ) 的功能 是视频信号中 叠加上字 液 晶 徽 型 显 示 a a fr. .3 t t i it迷 匹 符 信号和图 形信号，从而在屏幕的指定位置上显示指定字符和图 形。电 视机上 显示的音量、亮度、对比 度等大小的彩条和字符就是通过o s d功能实现的同 时利用o s d功能，人们可根据特定场合的需要，将时间、地点和一些有用信息 叠 加在视频 信号 上 目 前常 用的 屏 幕显示字 符集成电 路 是n e c 公司的， p d 6 4 5 0 系列芯片。 该系列主要分为复合视频 信号输出 型和r . g . b输出型两类。 二、u p d 6 4 5 0 的功能 和特点 b us y cl 正 乏 5 丁 工 dat a vd d cko u t lo o lo f vs : v in v o u t vv1vblvc1hsvsxooxoi 图2 - 4 n p d 6 4 5 0 p p d 6 4 5 0为复合视频 信号输出 型 o s d芯片。在我们开发的液晶 微型显示 视频 系 统( m ic r o d is p la y ) 中 配 合 按 键调整图 象 的 亮 度、 对比 度、 色 度， 我 们 采 用p p d 6 4 5 0 在屏幕上显示相关 信息 、 。 n p d 6 4 5 0 有两 种型号: u p d 6 4 5 0 c x -0 0 2 ( d i p 封装) 和u p d 6 4 5 0 g t -1 0 2( s o p 封装) 。 图一 是u p d 6 4 5 0 c x -0 0 2 的 管脚排列图。 ( 1 ) b u s y信号输出端 ( 2 ) 时钟输入端 ( 3 ) 触发输入端 ( 4 ) 串 行数据输入端 ( 5 )电源电压+ 5 v ( 6 ) 时钟输出端 ( 7 ) l c振荡器输出端 ( 8 ) l c 振荡器输入端 ( 9 ) 接地端 (1 0 ) 晶 体振荡器输入端 ( i 1) 晶 体振荡器输出 端 液晶微型显示视频系统的设计与实现 (1 2 ) 场同步信号输入端 (1 3 ) 行同步信号输入端 ( 14 ) 宇符信号电平调整端 ( 1 5 ) 背景电 平调整端 ( 1 6 )内部视频信号调整端 ( 1 7 ) 视频信号输出 端 (l 8) 外部视频 信号输入端 p p d 6 4 5 0 的主要功能是: ( 1 ) 输入输出复合视频信号c v b s , ( 2 ) 内 部有1 2 8 位的r o m， 固化了1 2 8 个字符的点阵字 库. 其中 包括了 数字、 2 6 个英文字母的大小写、一些汉字和日 文字符及符号。 ( 3 ) 能在屏幕上同时显示1 2 行2 4 列的字符。 ( 4 ) 字 符点阵为1 2 x 1 8 ，有四 种大小可以 选择，可设置背景、闪 烁。 ( 5 ) 内 部可 产生简单的p a l 制或n t s c制的视频 信号， 颜色可设置为黑、蓝、 绿、红、白。 ( 6 ) 提供和m c u的接口 ，通过b u s y . c l k . s t d . d a t a管脚接收m c u 的串行命令。 三、编程方法 p p d 6 4 5 0的 编程方法比 较简单。c l k是串 行时 钟 信号输入， 在c l k的上 升 沿p p d 6 4 5 0 读 取d a t a 端 输 入的 串 行数 据 信号 . 在8 位的串 行 数 据 信号 输 m s b dat a b us y w 1 2 - 5 n p d 6 4 5 0 时序图 入后，mc u应向s t b端发出一个脉冲，在s t b信号的上升沿时p p d 6 4 5 0 将8 位数据存入 b u s y是p p d 6 4 5 0的输出 信号，高电 平指示忙，只有在低电平时 液晶微型显示视频系统的设计与实现 输入信号才有效。具体时序如图2 - 5 u p d 6 4 5 0 提供 1 2 条编程命令.如下表: 命令f d , d 6 d , d , 显 示 字 符数 据0 0 c , c , c , 字符闪烁设置0 1 0 0 0 字符显示行地址0 1 0 0 i 字 符 显 示 列 地 址0 1 0 1 a c , 背 景 / 内 部 视频 信号 颜色0 1 1 0 b s , 显示开关、闪烁、l c振荡器控制0 1 1 1 0 n / p开关、内/ 外视频开关、晶振控制0 1 1 1 1 格式设置x 1 1 1 1 显示 位置 场地址1 0 1 0 v , 显 示 位置 行 地址1 1 1 0 h , 字 符 大 小 设置1 1 0 s , s , .a i i t ;丝邀i i l 1 1 0 表1 - i p p d 6 4 5 0 的 编 程 命 令 n p d 6 4 5 0 的编程顺序一般如下: 川 格式预定， f 。 置t o d , d , d , d , c , c , c , c , b l i n k 0 0 0 a r , a 凡a r , a 风 a c , a c , a c , a c , b s , r , g , b d o b l , b l , l o s c 0 n / p e x / i n x o s c 1 1 f , f r v , v , v , v , h , h z h , h , a r , a r , a r , a r , t , t , t , l ( 2 ) 设置显示位置场地址和显示位置行地址 ( 3 ) 格式预定， f , 置0 , ( 4 ) 字符显示行地址和字符显示列地址清零， 将1 2 行2 4 列字符清除. ( 5 ) 设置显示字符位置及字符代码。 ( 6 ) 设置内外视频 信号方式。 ( 7 ) 打开显示开关。 以下是实际电路调试中的几点体会: ( 1 ) 管脚7 , 8 外接电感和电容构成振荡器。振荡频率可在4 m至l o m之问。 振荡频率影响字符的水平位置。电感和电容应选用适当的值。 ( 2 ) 在n p d 6 4 5 0 的 初始化中 先将1 2 行2 4 列的 字 符清除， 否则开 机后屏幕上会 出现杂乱的字符。 ( 3 ) 在。 p d 6 4 5 0的 初始化时 要设定显示 位置 场地址和显示 位置 行地址。显示 位 置场地址影响字符显示区的垂直位置，显示位置行地址影响字符显示区的水平 位置。 液 品 微 型 显 示 视 频 系 统 的 a i 堕壑趾一一一一- 2 . 3同步分离芯片l m1 8 8 1 芯片 l m 1 8 8 1的功能是从视频信号中分离出行、场同步信号输出给“ p d 6 4 5 0 . ) i p d 6 4 5 0需要以 这两个同步 信号墓准，完成视频 信号中 指定行指定 列上字符的叠加 同步分离的一般方法是用幅度分离技术将复合同步信号从视频信号中分离 出来，在用微分电路分离出行同步，积分电路分离出场同步信号。该方法可直 接用分二元 件实现 但分立元件参数多，调节复杂，精度差， 体积大。我设计 的液晶微型显示视频系统要求体积小，便于携带。因此我采用单片集成电路 l m1 8 8 1 . l m1 8 8 1 的ms o p 封装的大小为:5 m m x 6 m m .图2 - 6 为l m1 8 8 1 输 出波形图。 溢一撇监黔 思sta 井 一 _ ，、， .rau二 i- - ( a ) c o mp o s i t e v ide o ; ( b ) c o mp o s it e s y n c ; ( c ) v e r t i c a l o u tpu t p u l s e , ( d ) o d d / e v a n f ie l d i n d e x ; ( e ) b u r s t g o 怕/ b a c k p o r c h c l a mp 图2 - 6 l m1 8 8 1 输出波形图 解 . 4 数字 式 视频 解码 器s a a 7 1 1 1 一、s a a 7 工 1 1 的特点 s a a 7 1 1 1 芯片 是p h i l i p s 公司 生 产的 数字式 视频 解码芯片， 具有以 下 特点 二 ( i )可编程选择4 路视频输入中的一路或两路组成不同的工作模式，在芯片内 液 晶 a 型 恒 全 委 燮呸鱼丝过5 ,y - 53 匕 部有两 路 模拟 视频 信号 处 理通 道 包括 籍 位电 路、 模 拟 信号 放大 器、 抗 混 叠 滤波电路和8 位a / d ，可进行静态 增益控制或自 动 增益控制。 ( 2 ) 能实 现行同 步、 场同 步 信号的自 动 检测、 分离， 并且行同 步 信号的 启始位 置与结束位置均可根据需要进行编程控制。 ( 3 )场频5 0 h z 或6 0 h z自动检测，并能自动在p a l制和n t s c制之间切换。 ( 4 )能对不同输入制式如p a l b g h i , p a l n, p a l m, n t s c n , n t s c 4 .4 3 等的色度、 亮度信号进行处理， 并实现亮度， 对比 度和饱和度的片内 控制。 ( 5 )片内时钟产生电路。通过数字p l l 锁定行同步。 ( 6 ) 每行视频信号实现7 2 0 次采样。 ( 7 ) p c总线 接口 ，可对片内可编程寄存器进行读写操作。 ( 8 ) 具有1 6 位、 1 2 位、 8 位不同字 节宽 度的数据输出 格式: 4 1 1 y u v ( 1 2 位) 、 4 2 2 y u v ( 1 6 位) 、 4 2 2 y u v ( c c i r -6 5 6 ) ( 8 位) 、 5 6 5 r g b ( 1 6 位) 、 8 8 8 r g b ( 2 4 位 ) 。 ( 9 ) 可实时调整图象的亮 度、 对比 度和饱和度 二、s a a 7 1 1 1 的功能: al1 2 ( 0 s 1 5 1 s d as c l h s vs v r ef rt s o rt s 1 rt c o 图2 - 7 s a a 7 1 1 1 功能示意图 s a a 7 1 1 i的 4个模拟视频信号输入端 a l 1 1 , a l 1 2 , a l 2 1 , a l 2 2输入视 频 信号，一路通过缓冲器从模拟输出 端 ( a o u t ) 输出 用于测试，另一路经a / d 后产生数字色度信号、亮度信号， 分别进行亮度信号处理、 色度信号处理。亮 度信号处理的结果一路送到色度信号处理器，进行综合处理，产生 y , u , v 信号，经r g b变换矩阵产生r . g . b信号，根据控制寄存器的设置，从v p o 输出 相应格式的数据另一路进入同步分离电路，经数字p l l ，产生相应的行、 a . e * i .i t i nl sti *r at 6 ) iq i t -5 1 ,a 一一一一 - 场同步 信号h s . v s ，同时p l l驱动时 钟发生 器，产生与h s锁定的时钟信号 l l c . l l c 2 . 1 2 c总线接口可通过写片内可编程寄存器控制s a a 7 1 1 1 的视频信 号处理过程。 s a a 7 1 1 1的应用场合主要是桌面视频系统、多 媒体、数字电 视、图象处理 和可视电 话等 三、 s a a 7 1 1 1 的输出 信号: 1 . v p o ( 1 6 位数据信号) 。s a a 7 1 1 1 对视频信号采样，解码，得到的y u v 或r g b 信号输出. 2 . v s( 场同步信号) 。 3 . h s( 行同步信号) 。 4 . r t s o 当 对寄 存器1 2 h的r t s e o 置 零时， r t s o 信号为奇 偶 场信号。 5 . l l c 。时钟信号，频率为2 7 m h z v p o y一 o u t p u t s y n c d ip p e d s t e p s iz e a 始化时我将该寄存器设置为 4 0 h ,即 一 一 一- 一 一一 a 第 二 位o e h v置1 , h s 和v s 输出有效 8 . 输出 控制 ( 1 2 h) 。该寄存器的第六位r t s e o清零，第2 9引 脚r t s o 输 出o d d( 奇偶场信号)第三位 r g b 8 8 8置 1 ，选择 r g b 8 8 8方式。第零位和 第一 位a o s l ( 1 : 0 ) 设置输出引 脚a o u t的输出 信号， 设为2 时， a o u t 连接 到a d 2 的输出端.通过对a o u t 信号的检测可判断s a a 7 1 1 1 的工作是否正常。 在上电 初始化时我将该寄存器设置为o a h e 六、 i = c总线 1 2 c 总 线( i n te r i n t e g r a t e c ir c u it b u s )是p h il ip s 公司 首 先 推出 的 一 种串 行 传 输总线。它占 用 i / o 口 少， 控制方式简单， 信号 传输速度快，非常适合小型化 单片机系统。 i 2 c总线通过两根线 ( s d a 一一串行数据线，s c l 一一串行时钟线) 在连到 总线上的器件之间传送信息，根据地址识别每个器件一一不管是单片机、l c d 驱动器、存储器还是键盘接口一一根据器件的功能可以工作于发送或接收方式。 1 , h c总线协议: ( 1 ) 开始和结束信号 当s c l 为高电平时， s d a发生高到低跳变 定义为开始信号;而当s c l 为高 vd d s da sc l 图2 - 1 0 v c总线的器件连接图 液晶微型显示视频系统的设计与实现 电 平时s d a发生低到高跳变 定义为 结束 ( 停止) 信号 开始和结束 信号总是由 主器件产生的.在开始信号以 后，总线被认为是忙的，在结束信号后过一定时 间总线被认为是空闲的。 5 da一 一 s 4 c l一 一 龙 开始信号 图2 - 1 1开始和结束信号 结束信号 ( 2 ) 数据的有效性 在时钟高电平期间s d a上的数据必须稳定，只有在时钟线s c l上时钟低电 平期间s d a线上高电平或低电平状态才能变化。 s d八 s c l 数据线允许数 稳定:数据有效据变化 图2 - 1 2 i 2 c总线有效性 ( 3 ) 字 节格式 送到s d a线上的 每个字节必须为8 位长度，每次传送的字节数是不收限制 的，每个字节后面必须跟i 个确认位。数据传送时从高位到低位. ( 4 ) 响应位 确认数据是必须的， 确认位由 接收 器件向 主器件发送. 此时主 器件释放s d a 线 2 . s a a 7 1 1 1 的数据传送格式 图2 - 1 2 是s a a 7 1 1 1 写过程和读过程的数据格式。 其中s 和s : 是开始信号， a c k为确认信号，p为结束信号 s a a 7 1 1 1 有固定的读写地址，当引 脚 i i c s a 接低电平时， 写地址( s l a v e a d d r e s s w) 是4 8 h ， 读地址( s l a v e a d d r e s s r) 是4 9 h 当引脚i i c s a接高电平时，写地址是4 a h，读地址是4 b h 。在本 液 品 微 型 显 示 a k ia o tk 土5缨一一一一一一一一一一一 s l a v e a d d r e s s w s t a ve addre s s r a c k ( s ) agk( s ) s u b a d d ae s s d a t a ( n b y t e s ) 图2 - 1 3 s a a 7 1 1 1 的读写数据格式 系统的 模拟视频 信号处理电 路中，我将i i c s a接地，因 此s a a 7 1 1 1 的写地址为 4 8 11 ，读地址为4 9 h . s u b a d d r e s s 为要控制的可 编程寄 存器的 地址。 在 s a a 7 1 1 1上电后所有寄存器复位，复位后的寄存器缺省值见表 2 - 2 。由 于缺省值与我 设计的实际电 路中 需要的设置不同， 因此在上电 后需要对s a a 7 1 1 1 重新配置。在系统运行中 也需要对s a a 7 1 1 1 的亮度、对比 度、饱和度寄存器进 行实时控制 在模拟视频 信号处理电 路的实际调试中， s a a 7 1 1 1 输入视频 信号后，工作 良好。 2 . 5 控制电 路 一个完整的电路系统一般应由两部分组成:信号处理部分和控制部分。本 系统的控制部分由王控芯片8 9 c 2 0 5 1 和三个按键组成。控制电路的功能有两个。 1 . 对u p d 6 4 5 0 发送串 行命令控制屏幕字符的显示。 2 . 通过i - c总线对s a a 7 1 1 1 进行配置。 8 9 c 2 0 5 1 是a t m e l 公司的8 位单片 机.它与8 0 3 1 指令和引 脚兼容， 却只有 2 0 个引脚 ( 没有p o 和p 2口) ，同时片内有2 k f l a s h r o m，不需要外接r o m. 它非常适合用于小型系统。由于本系统中 8 9 c 2 0 5 1只起到控制作用，不参与信 号处理，2 l ) s 的指令周期也足够了 三 个键中第一个键为模式选择键， 模式在亮度、对比 度和饱和度之间 切换。 每按下一次， 模式 切换一次，同时通过n p d 6 4 5 0的作用，在屏幕上显示当 前模 式。第二 键为 增加健。每按下一 次，当 前模式的值增加一次 ( 如亮度值变大) o 当 增加到最大值时不再增加。第三 键为减少键。每按下一次，当 前模式的值减 少一次三按键方案是我们经过仔细考虑后采用的。因为微型显示器要求体积 越小越好，同时微型显示器是戴在眼睛上的，按键太多会给使用者带来不方便。 液晶微型显示视频系统的设计与实现 每一次亮 度、 对比 度和饱和度调整需要8 9 c 2 0 5 1 对s a a 7 1 1 1 相应的寄存器 改写 ( 调整显示图象) 和对、 1 1, d 6 4 ,5 0控制 ( 显示调整后标志亮度/ 对比 度/ 饱和 度大小的彩条) 。8 9 c 2 0 5 1 的程序流程图如下图。详细的单片机程序见附录。 开 始 1 初始化 清 u p 4 6 4 5 。 显示 r a m s aa7 1 1 1 初始化 没置1 0 5 定时 1 ; 制 u p d 6 4 5 。 显 示 开机信息 键是否枪起 足否有盆按下 键处理子程序 图2 - 1 4 主程序流程图 液 晶 微 型 q t 4 9 10 fr : 丛 兰 竺 竺 呈型匕 第三章数字视频信号处理电路 3 . 1 数字 视频 信号处 理电 路的 设计目 标 我设计的数字视频信号处理电路是针对分辨率为 6 4 0 x 4 8 0 ，采用彩色时序 显示的l c d屏.帧频为5 0 h z ， 场频为1 5 0 h z 。写入屏的数据格式为4 个像素3 2 位，点时钟频率为2 5 mh z 数字 视频 信号处理电 路的 输出 信号即 是l c d屏的 接口 信号。l c d屏与数字 视频 信号处理电路的 接口 为刊针的 插座。如下图 4 4 针的 插座的 各信号 含义见 表 3 - l e 图3 - 1 l c d屏接口图 主要的时序信号的要求如下: 1 . 子 场场同步 信号s u b _ v s 周期为6 .6 5 m s ， 脉冲宽 度为4 u s . 2 . 子场行同步 信号为s u b _ h s 信号。 周期为6 . 5 n s ， 脉冲宽度为8 0 n s . 3 . 时钟信号l c d c l k 。时钟信号周期为4 0 n s 4 . 两个反相的奇偶场信号o d d 1 和o d d 2 。周期为4 0 m s . 5 . 行写入信号 o e 。周期为 6 . 5 1p s ，行写入信号的负脉冲比行同步信号的正 脉冲落后一行时间 此外还有r . g . b三色l e d的控制信号:r e d . g r e e n. b l u e 。信号周 期为6 .6 5 m s ，脉冲宽度为。 . 5 m s 表3 - 1 l c d屏接口 信号表 引脚信号名描述 1oddi 奇偶场信号1 2 - 9da t a o 一da t a7数据线 1 0s ub vs 子场场同步信号 1 1v4 伽马纠正参考电 压 ( 4 v) 液晶微型显示视频系统的设计与实现 1 2v2 伽马纠正参考电 压 ( 2 v) 1 3odd 2 奇偶场信号2 1 4oe 行写入脉冲 1 5 一2 2da t a8 一da t a 1 5数据线 2 3vcc 电源 2 4 一3 1 dat a 1 6 - da t a2 3 干 数据线 3 2cl k 点时钟信号 3 3v1 伽马纠正参考电压 ( 1 v) 3 4v3 伽马纠正参考电压 ( 3 v) 3 5s ub hs 行同步信号 3 6 -4 3da t a2 4 -da t a3 1 数据线 4 4gnd 信号地 o dd i oodz s u b vs d a t a 3 1.01 代 data 一一一 一 k， r 一 一 一 一 长 舀 - 卜一一一一 3 1 5 ms: 3 ms :0 . 5 t h s re c g re e n b l u e 汤 a5 - 6 .5 u 一 s u b hs l c d c l k 图3 - 2 时 序信号波 形图 液 晶 微 t i t g p f ia o s i# i t 4 t g 一一 - 图 3 - 2为各信号的波形图。只要数字视频信号处理电路的输出波形满足以 上波形，即可实现视频显示 3 . 2 数字 视频 信号 处 理电 路 方案 数字视频信号处理电路的主要功能是:接收来自 模拟视频信号处理电路中解 码芯片s a a 7 1 1 1 的数据信号r , g, b( 8 : 8 : 8 ) 以及时序信号v s , h s , o d d , l l c 2 ， 将数据信号r , g , b按一定数据变换算法分别写入一组存储器的红、 绿、 蓝三个区，同时 读另一组存储器，按顺序将r , g , b三个子场的数据送入l c d 屏以实现彩色时 序，并提供 l c d屏所需的点时钟信号和同步信号。数字视频信 号处理单元电路包括高速r a m和完成信号处理功能的数字电路.由于各家公司 开发了不同模式的 l c d屏，尚未形成工业标准，因此目前市场上没有完成这种 功能的 a s i c .若采用普通数字电 路，会使系统体积庞大，功耗高， 稳定性差， 不符合微显系统体积小，便于携带的特点。因此我们采用可编程逻辑器件。 可编程逻辑器件 ( p l d) 是由 用户 编程实现所需 逻辑功能的数字集成电 路 它由三大部分组成:( 1 ) 一个二维的逻辑块阵列， 构成了p l d器件的 逻辑组成核 心。 ( 2 ) 输入/ 输出 块。 ( 3 ) 连接逻辑块的互连资源。目 前可编程逻辑器件中 应用最 广泛的是现场可 编程门阵列 ( f p g a) 和复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) c p l d与f p g a在很大程度上具有类 似之处， 但由于内 部结构上的 差异导致 了 创门 在功能与 性能上的差异 a l t e r a公司的c p l d在以 下两方面比f p g a有 一定的优势。 ( 1 ) 布线能力。 a l t e r a c p l d独特的内 连线结构使其内 连率很高， 不需要人工 布局步线来优化速度和面积。这与 f p g a有限的布线线段相比，更适合与电子 系统设计自动化 ( e s d a)中芯片设计的可编程器件验证. ( 2 ) 延迟可预测能力。 a l t e r a c p l d的连续式 布线结 构决定了 它的时 序延迟是 均匀的和可预测的 ( 即 设计输入不变的情况下每次布局布线后时序延迟是一定 的) 。这与 f p g a分段式布线结构导致的不可预测相比，更加方便了电路设计人 员 设计电路 这两个优点 特别是延迟可预测能力对于延迟要求比 较严格的 微显系统来说是 非常重要的我决定采用了a lt e r a 公司的c p l d来实现信号处理的功能。 a l t e r a公司提供 了7个系列的 p l d产品，包括 f l e x 1 0 k, f l e x 8 0 0 0 , 液 晶 丝 nj 9 主型醚选塑 if 5 里些一一一一一一一 第四章 结论 微型显示技术是一门新兴技术， 液晶 微型显示视频系统的开发也是一项有 探索性、独立性的科研工作。液晶微型显示视频系统由 模拟视频信号处理电路、 数字视频 信号处理电路和l c d屏组成，主要功能 是视频 解码和实现彩色时 序显 示。在研究开发过程中，涉 及到以 下问题并逐个得到了 较为合理的 解决: i . 采用先进的专用集成电路芯片。微电子技术的飞速发展，专用集成电路 集成度越来越高，功能也越来越强大。采用高性能的a s i c往往是成功设计的 关键。经过查阅大量产品 资料，我选用了p h i l i p s公司的数字式视频解码芯片 s a a 7 1 l i 很好地实 现了 视频 信号的 解码、 a / d及图 象的 调整， 选 用高速、大 容 量的s r a m芯片k m 6 1 6 4 0 0 2 b j 作为显示存 储器 这些 都大大 减小电路的面积，